• volcanic conduit geometry
• bubble break-up
• slug

Il degassamento vulcanico è un processo fondamentale, in quanto la modalità con la quale avviene è in ultima analisi responsabile dell'esplosività. Una miglior comprensione delle dinamiche di degassamento è quindi della massima rilevanza in vulcanologia, anche per le potenziali applicazioni nel campo della valutazione e riduzione del rischio. Presso i vulcani a condotto aperto l'emissione dei volatili è prevalentemente passiva, ovvero continua e non esplosiva; tuttavia tale comportamento è spesso punteggiato dalla risalita di slug, ovvero grandi (conduit-filling) bolle che esplodono periodicamente all'interfaccia magma-aria.
Tutti i modelli di degassamento a condotto aperto esistenti (ad esempio Sawyer at al., 2009 ed Oppenheimer et al., 2008) approssimano il condotto di alimentazione ad un tubo cilindrico che mette in collegamento diretto la camera magmatica ed il cratere. In realtà non vi sono evidenze ‒ nè di campagna nè geofisiche ‒ che supportino questa configurazione geometrica, che viene prediletta solo in quanto semplice da modellizzare e generalizzare. Basandosi sui dati disponibili, appare probabile che il condotto tenda piuttosto ad essere bi-dimensionale, come un dicco (Costa et al., 2007), almeno in profondità, mentre in superficie spesso si allarga fino a presentare una geometria circolare (Mitchell, 2005). Tale discrepanza è significativa, in quanto altera concretamente la modalità di degassamento, ed in particolare di risalita degli slug.
La presente tesi mira a colmare il divario esistente tra i modelli disponibili e la realtà naturale.

L'approccio utilizzato è sperimentale analogico. L'apparato sperimentale principale (Fig. 1) è una cella pressoché bidimensionale che permette di delineare diverse configurazioni geometriche atte a simulare un sistema di alimentazione vulcanico: si tratta di un canale (condotto di alimentazione) che si allarga progressivamente con un angolo α compreso tra 0° e 60° fino a sfociare in uno spazio aperto (reservoir superficiale). Gli esperimenti condotti sono bi-fase (melt+volatili): per simulare il fuso sono state utilizzate soluzioni di golden syrup – sciroppo zuccherino le cui proprietà sono ben note ed approssimano rimarcabilmente quelle dei magmi (Bagdassarov & Pinkerton, 2004) – diluito con acqua in proporzioni variabili, mentre i gas vulcanici sono sostituiti da semplice aria iniettata manualmente tramite una siringa. Il range di viscosità coperto è compreso fra 17 e 49 Pa*s; tali misure sono state ottenute con un reometro Thermo Scientific HAAKE© MARS con geometria a cilindro rotante.
Tutti gli esperimenti sono stati filmati con una videocamera Sony Handycam© HDR-SR5 montata su un treppiedi, in modo tale da documentarli e poterne estrarre dati precisi. Per farlo ci si è avvalsi di due softwares: Tracker© per determinare le coordinate spazio-temporali, e tracciare quindi il movimento dello slug in risalita, ed ImageJ© per calcolare la dimensione delle bolle e valutarne così la ripartizione volumetrica alla rottura.
E' stata condotta una serie di esperimenti atti ad isolare l'effetto di diverse variabili (volume iniziale dello slug, geometria del condotto, viscosità dello sciroppo) sulla dinamica di ascesa delle bolle. In particolare sono stati monitoriati due aspetti: la velocità terminale di risalita degli slug e la loro stabilità.

Il moto di risalita si può descrivere semplicemente tramite una combinazione di moto rettilineo uniforme e moto uniformemente accelerato, come si evince dal confronto dei grafici di posizione, velocità ed accelerazione delle bolle (Fig. 2).
Il movimento della testa dello slug (Fig. 2a) nel canale è rettilineo uniforme, diviene uniformemente accelerato nell'area di allargamento e ritorna poi ad essere rettilineo uniforme nella zona aperta. Il movimento della coda (Fig. 2b) è leggermente pù complesso, in quanto nell'area di allargamento si susseguono due diversi moti uniformemente accelerati, il primo accelerato ed il secondo ancora accelerato ma con accelerazione inferiore rispetto al precedente.

Nella zona di transizione fra il canale ed il reservoir superficiale, alcuni slug sono manifestamente instabili, e se ne osserva la rottura, ovvero la scissione in due bolle di dimensioni inferiori.
Questo fenomeno può verificarsi o meno: gli slug più piccoli non si rompono, ma si deformano solamente, mentre i più grandi si scindono; per quelli intermedi è determinante la geometria della zona di allargamento: una minor ripidità favorisce la rottura anche di slug di dimensioni minori.
Il processo di rottura può essere descritto in varie fasi consequenziali (Fig. 3): inizialmente lo slug risale indisturbato nel canale, con una velocità terminale di risalita dipendente dalla viscosità dello sciroppo e dalla larghezza del canale; poco prima di raggiungere la regione di allargamento la testa inizialmente si appuntisce, per poi espandersi mentre la parte centrale dello slug si restringe sempre di più fino a quando lo strozza, separandone due bolle distinte.
Ciò può avvenire con due modalità: con una rottura netta dello slug in due bolle (rottura di tipo A), come osservato alle geometrie più ripide, oppure lasciando una bollicina tra le due bolle principali (rottura di tipo B), come avviene alle geometrie meno ripide.
Dai test preliminari è apparso subito chiaro che la geometria del condotto controlla direttamente la velocità di risalita dello slug (Fig. 4) e quella di discesa dello sciroppo circostante, che a loro volta controllano la stabilità dello slug.
L’insieme dei risultati ottenuti hanno permesso di realizzare un diagramma di regime (Fig. 5), che illustra la dipendenza della soglia di rottura dello slug dalla geometria del condotto. In questo diagramma sono proiettati i due maggiori fattori di controllo della stabilità: il volume dello slug e la pendenza della zona di allargamento. In questo modo si identificano 3 campi, ciascuno corrispondente ad un diverso comportamento (deformazione senza rottutra, rottura di tipo A, rottura di tipo B).

Il fenomeno della rottura dello slug implica l'esistenza di una dimensione precisa delle bolle che un sistema di una data taglia e geometria può rilasciare. La dimensione di tali bolle è stata misurata in una varietà di esperimenti, e si è rivelata indipendente dalla dimensione dello slug originario ma dipendente dalla geometria di transizione. E' stato quindi possibile stabilire una relazione biunivoca tra la geometria del condotto e la dimensione della prima bolla emergente (Fig. 6).

Ciò ha permesso di elaborare un modello che permettesse di usare la dimensione delle bolle per dedurre la forma del condotto, facendo la ragionevole assunzione che la disponibilità di gas sia illimitata.I dati sulla dimensione delle bolle rilasciate dal sistema, necessari come input al modello, possono essere ottenuti attraverso tecniche infrasoniche, poichè una bolla sovrapressurizzata che esploda all'interfaccia magma-aria produce un segnale sismoacustico caratteristico, da cui è possibile dedurne il volume.

In un ulteriore set di esperimenti si è esplorata la terza dimensione.
L'apparato utilizzato a questo scopo è un tubo cilindrico (r=1,5cm; l=7cm) sfociante in un tank cubico (l=22cm). Slug gassosi di volume compreso fra 1ml e 60ml sono stati iniettati manualmente dalla base del tubo attraverso un tappo di gomma con una siringa. Gli esperimenti sono stati riprodotti a 5 diverse viscosità, comprese fra 12 Pa*s (golden syrup diluito) e 836 Pa*s (glucose syrup puro).
Si è osservato che uno slug di maggiori dimensioni si rompe in sequenza in più (fino a 5) bolle, coerentemente coi risultati degli esperimenti bidimensionali, nei quali la taglia originale dello slug era un fattore di controllo primario. Nello specifico, il numero delle bolle figlie sembra essere controllato dalla viscosità dello sciroppo circostante: più viscoso è, più bolle vengono prodotte (fig. 7). Ciò è in contrasto con quanto avviene in 2D, dove la viscosità non ha alcun ruolo osservabile ‒ bisogna tuttavia notare che il range di viscosità esplorato in 3D è molto più ampio, e che la rilevanza della viscosità è riconosciuta in letteratura (ad esempio James et al., 2006).

Infine, un'ulteriore serie di esperimenti è stata realizzata montando l'apparato bidimensionale sottosopra, in modo tale che gli slug dovessero procedere da uno spazio ampio ad uno più stretto, più o meno gradualmente in base all'angolo della zona di restringimento. Come previsto, gli slug rallentano a causa della riduzione dello spazio disponibile. Quando raggiungono l'ingresso del canale assumono una forma triangolare: la testa risale lentamente nel canale, mentre la coda si ammassa al di sotto con una parte inferiore rimarcabilmente piatta e gli angoli laterali controllati dall'angolo della zona di restringimento.
Le bolle più piccole che risalgono lungo geometrie più ripide (Fig. 8a) lo fanno gradualmente, finché tutta la massa non è trasferita nel canale, dove forma uno slug.
Aumentando la dimensione delle bolle (Fig. 8b) si iniziano a notare instabilità di Taylor sulla parte inferiore della bolla, e ad angoli inferiori queste instabilità hanno più tempo per formarsi, abbastanza per scindere il retro della bolla in più parti (Fig.8c).


In conclusione i risultati degli esperimenti condotti nell'ambito della presente tesi forniscono le basi per lo sviluppo di una nuova tecnica di studio dei condotti vulcanici, per loro natura inaccessibili e sulla quale reale geometria persistono ancora molti dubbi. Tale tecnica consiste nello sfruttare le potenzialità delle bolle di degassamento che giungono in superficie ‒ e possono quindi essere osservate e misurate ‒ in qualità di portatrici di informazioni sulla geometria del sistema di alimentazione che le ha rilasciate. I dati sperimentali ottenuti sono stati sintetizzati in un modello che a partire dalle dimensioni delle bolle permette di risalire alla geometria del condotto, e quindi migliorare la nostra comprensione dei sistemi vulcanici.


The continual passive degassing occurring at open-vent mafic volcanoes is often punctuated by bursts of active degassing. The latter are generally thought to be the result of slug flow: large, conduit-filling bubbles periodically rising up the feeder conduit and bursting at the magma-air interface. Existing models of volcanic degassing systems make the simplifying assumption that the conduit is cylindrical; however, while this may be true at shallow levels, a flaring probably connects it to a dyke-like geometry at depth.
The overall goal of this research is to assess the influence of conduit geometry on the speed and stability of bubbles rising in open-vent systems, and ultimately to devise a model to infer conduit shape from emerging bubbles size. In order to do that an analogue experimental approach was used. All of the experiments were two-phase (melt+volatiles); the analogue materials of choice were golden syrup-water mixtures ranging in viscosity from 10-1 to 104 Pa∙s and air. Two experimental apparatuses were used: a bi-dimensional and a tri-dimensional one. The bi-dimensional set-up is a cell made of two flat transparent PVC plates (44x23cm) 1 or ½ cm apart ‒ the front one having a hole at the bottom permitting bubble injection ‒ containing a variety of parallelepipeds apt to outline different plumbing system geometries. The tri-dimensional one consists of a cylindrical tube (r=1,5cm; l=7cm) allowing bubble injection through the bottom rubber tap and terminating into a square tank (l=22cm).
Results indicate that conduit geometry directly controls the slug rise velocity and the surrounding liquid descending speed, which in turn control the slug stability. Small enough bubbles simply deform as they go through the flaring, while bigger ones split into two daughter bubbles. A regime diagram has been constructed, illustrating the bubble break-up threshold dependence on the flare geometry and initial slug size ‒ the two main controlling factors. The phenomenon of bubble break-up implies that there is a maximum size a system of a certain shape and size can deliver. The size of the upper daughter bubble has been measured in a variety of experiments, and it has been found to be independent of the original slug size, but related to the conduit-upper reservoir transition geometry. It has therefore been possible to establish a relation between conduit geometry and first emerging daughter bubble size. Under the reasonable assumption of a non-limiting supply of gas, this allowed to successfully design the envisaged model of conduit geometry inferral from delivered bubbles size. Data on the size of emerging bubbles, necessary to feed the model, can be obtained through infrasound techniques, as a bursting over-pressurized gas bubble produces a characteristic seismoacustic signal, from which it is possible to infer its size.