CHAPTER 8
PYROCLASTIC FALLS AND PYROCLASTIC DENSITY CURRENT
JATUHAN MATERIAL DARI KOLOM ERUPSI
• Material hasil erupsi dibawa hingga ketinggian tertentu, tergantung dari kondisi erupsi (ukuran material dan tipe erupsi), sedangkan lokasi mendaratnya tergantung kondisi atmosfer, terutama angin. • Properti erupsi dapat dilihat dari distribusi piroklastik di tanah yang dihasilkannya. • Hasil erupsi di periode-periode sebelumnya dapat digunakan untuk mengekspektasi hasil erupsi di masa yang akan datang
JATUHAN DARI KOLOM ERUPSI • Kolom erupsi dapat dibagi menjadi 3 daerah : gas-thrust, convective , dan umbrella. • Pada gas-thrust dan convective, ekspansi diakibatkan oleh entrainment (hasil transfer momentum) dan pemanasan udara oleh atmosfer.
AWAN ERUPSI PLINIIAN
JATUHAN DARI KOLOM ERUPSI (LANJUTAN) • Dari tipe jatuhan yang dihubungkan dengan peningkatan kolom erupsi, dapat diperlihatkan beberapa bentuk : 1. Magma gas content dan mass flux hasil erupsi dapat digunakan untuk memprediksi BENTUK dari kolom erupsi dan KETINGGIAN dimana material dengan bentuk dan densitas tertentu akan dibawa. 2. KECEPATAN jatuhan material dan KECEPATAN angin dapat menunjukkan dimana material tersebut dapat dideposisikan.
• Dari model-model tersebut dapat terlihat kejadian yang memungkinkan terjadi , 1. Semakin kecil material, ketinggian yang dapat ditempuh dari erupsi tersebut semakin tinggi, terhitung dari lubang erupsi. Hal ini terjadi karena kolom erupsi bertambah lebar sesuai dengan ketinggian, seiring dengan bertambahnya ketinggian tersebut, deposisi sesuai arah lateral juga akan semakin bertambah.
2. Semakin besar kecepatan angin, semakin besar jarak (berdasarkan downwind) material tersebut dideposisikan.
• Semakin besar material,maka transportasinya akan banyak didukung/ didorong oleh adanya agen berupa gas (terlihat pada kolom gas thrust) • Material kecil akan terbawa juga pada ketinggian yang besar, namun akan tersuspensi di pinggir-pinggir kolom erupsi, dimana kecepatan material untuk bergerak ke atas kolom semakin berkurang dan habis. Hal ini berkaitan dengan system Bulk dari atmosfer yang mempengaruhi pelepasan material yang lebih kecil dengan baik.
AWAN ERUPSI PLINIIAN DILIHAT DARI SUDUT TERTENTU
JATUHAN DARI UMBRELLA COLUMN •
Di sini material bergerak dengan beberapa mekanisme yakni : a. Gerak Bouyance alami b. Tidak adanya pertambahan ketinggian.
•
Material di kolom ini akan mengalami transportasi secara lateral yang disebut dengan Eruption Cloud. Hal ini disebabkan karena adanya penabahan material dari bawah secara konstan
•
Saat tidak ada angin, umbrella cloud akan menyebar simetris. Keberadaan angin menyebabkan awan bergerak sesuai arah angin (gambar 8.2)
•
Ketika kolom umbrella meluas secara lateral, upward velocity bernilai 0. Gaya turbulensi menyebabkan material jatuh secara bertahap (tidak sekaligus). Mekanismenya adalah, saat sebagian material akan jatuh, sebagian material yang lain akan terangkat ke atas. Proses jatuhnya material dari eruption could berjalan lambat (dalam hitungan hari atau minggu) => gambar 8.3
•
Material yang sangat kecil merupakan aerosol yang terbentuk ketika air melarutkan SO2 menghasilkan butiran silikat. Material ini dibawa arus turbulensi melalui angin dalam waktu bulanan hingga tahunan
PERGERAKAN ERUPSI KE BARAT OLEH GUNUNG EL CHICHON DI MEXICO PADA TAHUN 1982
KECEPATAN JATUHAN PIROKLASTIK • Keseimbangan antara upward drag force downward dan downward gravitational force disebut dengan terminal velocity. • Faktor yang mempengaruhi Kecepatan terminal adalah : 1. Radius , yang disebabkan oleh angin , bergeraknya arah lateral)
2. Densitas, yang disebabkan oleh agen berupa Gravity Flow. 3. Shape, tidak selalu mempengaruhi
•
•
• Persamaan 8.1 menunjukkan bahwa terminal velocity pada material besar tergantung pada densitas atmosfer (densitas atmosfer menurun seiring pertambahan ketinggian) => pada tempat yang tinggi, terminal velocity lebih besar dibandingkan pada tempat yang lebih dekat dengan tanah.
• Persamaan 8.3 menunjukkan bahwa erminal velovity material yang kecil bergantung dari viskositas gas atmosfer. Nilai viskositas gas berbanding lurus dengan temperatur. Posisi semakin tinggi => temperatur rendah => viskositas rendah => terminal velocity tinggi
FAKTOR LAIN YANG MEMPENGARUHI JATUHAN DARI KOLOM ERUPSI • Jatuhan dari kolom erupsi dipengaruhi oleh kondisi erupsi (kandungan gas dalam magma dan mass flux dari vent) dan sejumlah properti atmosfer (turunnya tekanan atmosfer seiring dengan ketinggian)
• Properti atmosfer dipengaruhi oleh latitude dan musim, dan kandungan air pada lower atmosphere (troposphere sangat dipengaruhi kondisi cuaca).
Bentuk-bentuk yang Biasa Terjadi dari Proses Deposisi Jatuhan Piroklastik • Semakin jauh dari lubang erupsi ukuran butir dari material yang terdeposisi semakin mengecil. • Setiap tempat dan wilayah deposisi mempunyai range ukuran material, akibat adanya premature fallout, kecepatan material material besar yang tinggi (mampu mencapai jarak deposisi melebihi seharusnya) • Selain material hasil erupsi, terkadang juga terdeposisikan runtuhan dinding dike dan vent, disebut lithic clast. Untuk diameter yang sama, densitas lithic lebih besar dibandingkan densitas pumice. Karena kecepatan terminal sebanding dengan densitas dan diameter, maka kecepatan terminal lithic lebih tinggi dibandingkan pumice
KECEPATAN TERMINAL DI ATMOSFER PADA SEA LEVEL
Bentuk-bentuk yang Biasa Terjadi dari Proses Deposisi Jatuhan Piroklastik (lanjutan)
• Ketebalan dari deposisi material semakin menurun seiring dengan bertambahnya jarak dari lubang vent. • Deposisi biaa membentuk struktur yang biasa disebut dengan vertical Grading. • Ketika material besar terdeposisi pertama, setelah itu diikuti oleh material yang lebih kecil maka akan disebut Gradasi Normal. dan ketika yang terjadi adalah sebaliknya, disebut Gradasi terbalik. Gradasi terjadi karena terjadi perubahan kecepatan angin dan perubahan flux massa
UNUSUAL PATERN IN THE THICKNESS OF DEPOSIT • Kemiringan yang curam, mengakibatkan penurunan ketebalan deposit ke arah lateral secara ekstrim • Deposit material erupsi tererosi oleh proses nonvolkanik • Ketebalan deposit awalnya meningkat sebelum akhirnya mengalami penurunan akibat efek angin
• Kolom erupsi mengandung uap air akibat erupsi terjadi saat badai sehingga udara dan air masuk ke gas-thrust region. Keberadaan air menyebabkan terbentuknya selaput air pada piroklastik kecil, kemudian mereka saling menempel membentuk kumpulan besar, disebut ash cluster atau ash pellet • Pada erupsi kering, gaya gesek mengakibatkan partikel menjadi elektrostatis, berkumpul membentuk agreggate. Semakin besar, aggregate jatuh semakin cepat dibanding material kecil.
APLIKASI MODEL KOLOM ERUPSI
APLIKASI MODEL ERUPTION COLUMN • Tujuannya adalah untuk memprediksi persebaran piroklastik berkaitan dengan kondisi erupsi dan atmosfer. • Modelling digunakan untuk mengembangkan pandangan mengenai efek jangka panjang dari erupsi besar yang terjadi di masa lalu maupun yang akan datang, yang dapat mengubah iklim dan lingkungan.
MENGANALISIS JUMLAH DEPOSIT
• Di setiap tempat,ketebalan deposit,ukuran serta densitas clasts dapat ditentukan. Untuk clasts yang sangat besar ukurannya diukur dengan menggunakan skala ukur,sedangkan yang kecil diukur di laboratorium. Ukuran clasts ini sama pentingnya dengan tipe dan bentuk clasts. Ukuran clast digunakan untuk menentukan persebaran distribusi clasts di seluruh deposit. • Ukuran dan densitas clasts yang telah diketahui dipetakan menjadi peta isopach (kontur ketebalan deposit) dan peta isopleth (garis gabungan dari ukuran clast yang sama). Titik konvergen isopach menunjukkan posisi vent, sedangkan isopleth menunjukkan jangkauan maksimum vent. Kedua peta ini menunjukkan arah pergerakan awan panas.
ESTIMASI KECEPATAN DAN LAJU ERUPSI • Cross wind merupakan kunci utama dalam penggunaan fall deposit untuk menganalisis tipe erupsi. • Piroklastik dengan ukuran dan densitas tertentu masing-masing memiliki ketinggian maksimum yang dapat dicapai dalam kolom erupsi (dipengaruhi oleh kecepatan dan densitas gas dalam material), dengan demikian dapat diketahui jarak lateral maksimum piroklastik akan dilepaskan dan jarak maksimum cross-wind di mana piroklastik akan ditemukan • peta isopleth dapat digunakan untuk mencari rentang cross-wind maksimum b dari clasts dengan diameter d yang kemudian dikalikan dengan densitas clasts yang cocok dan hasilnya (d) di plot sebagai fungsi b. Jarak crosswind (b) , diamater clast (d) , dan densitas (σ) diplot seperti pada grafik
MENCARI KECEPATAN ANGIN •
•
Perpanjangan isopach dan isopleth bisa digunakan sebagai indikator untuk menentukan kecepatan angin selama erupsi. Kenyataannya kecepatan angin dan bahkan arah angin secara umum bervariasi dengan ketinggian dibawah kondisi normal dan bagaimananpun hal ini dapat disimpulkan dari jumlah deposit yang dapat menggambarkan beberapa kondisi rata-rata antara kondisi tanah dan batas atas dari awan panas hasil erupsi. Estimasi ketinggian awan panas hasil erupsi dan juga ketinggian maksimumnya di atas tanah bergantung pada ukuran pyroclast yang sudah jatuh. Hal ini berarti kecepatan terminal dapat digunakan untuk mencari waktu dari ukuran setiap clasts dari ketinggian pada saat mulai dilepaskan hingga ketinggian mencapai tanah. Langkah selanjutnya adalah dengan mencari perbedaan diantara downwind maksimum dan rentang cross-wind dari clasts yang diketahui dari ukuran dan densitasnya. Perbedaan ini menunjukkan jarak downwind dari clasts yang sudah tertransport oleh angin selagi gugur dan membagi jarak transport oleh fall time dengan kecepatan rata-rata angin. Kecepatan rata-rata angin sebagian ditentukan dari setiap ukuran clasts yang digunakan pada proses analisis, kemudian dapat ditentukan variasi kecepatan angin dengan ketinggiannya
HUBUNGAN ANTARA FEATURE-FERATURE ERUPSI HASIL GUNUNG-GUNUNG API DI DUNIA
MENCARI VOLUME DARI FALL DEPOSIT DAN DURASI ERUPSI Dengan cara yang sama,area rata-rata dari 2 isopach dikalikan dengan perbedaan ketebalan deposit yang diwakilkan, hasilnya adalah perkiraan yang baik untuk volume deposit diantara isopach. Dengan menambah kontribusi dari seluruh pasangan isopach, diperoleh total volume deposit. Volume hasil adalah volume deposit seperti yang ada di permukaan. Volume tersebut diubah dalam ekuivalensi volume yang akan menempati seluruh ruang pori di dalam pyroclast dan semua ruang kosong diantara clasts yang kemasannya tidak sempurna. Hal ini dinamakan DRE volume (Dense Rock Equivalent).
dengan mengalikan hasil DRE volume dengan densitas dari magma hasil erupsi,maka akan diperoleh massa total deposit. Hal ini penting karena kemudian estimasi durasi erupsi dapat dihitung. Atau bisa juga dengan cara membagi massa deposit dengan massa laju erupsi yang diperoleh dari mencocokan data pada kurva. Estimasi durasi mungkin tidak terlalu akurat karena seperti yang sudah disebutkan diatas flux massa dapat berubah-ubah selama proses erupsi maka penyesuaian dengan menggunakan kurva teoritis mungkin tidak dapat memberikan estimasi yang bagus dari rata-rata laju erupsi
DENSITAS ALIRAN PYROCLASTIC DAN PENGENDAPANNYA
Sifat pengendapan Tiga kondisi yang digunakan untuk menggambarkan jumlah deposit: Ignimbrite Pyroclastic surge deposits Block-and-ash deposits Jumlah deposit didominasi oleh material juvenile tetapi juga berisi fragmen lithic yang berbentuk serpihan dari dinding dike dan sistem vent yang menyumbang proses erupsi.
Ignimbrite biasanya kaya akan abu dan bersortasi rendah, membentuk lembaran luas atau kipas yang menutupi area luas hingga 10.000 km2. Mereka mengubur atau menutupi topografi yang sudah ada sebelumnya pada local pressure. Pyroclastic surge deposits bersortasi lebih baik daripada ignimbrite, meskipun masih agak sedikit bersortasi buruk dan menunjukkan dengan jelas stratigrafi dalamnya. Mereka terbentuk didalam atau secara tiba-tiba berdekatan/ berbatasan dengan deposit ignimbrite. Block-and-ash flow deposits biasanya berisi clasts yang kurang vesicular (berongga). Cenderung menjadi volume yang kecil dan berasosiasi dengan events dimana lava dome atau lava mengalir pada bidang yang collapse/runtuh..
• Kondisi flow unit digunakan untuk mendeskipsikan jumlah deposit dari densitas tunggal aliran pyroclastic pada lokasi tertentu • Banyak ignimbrite yang cukup panas ditempatkan dimana beberapa mengalami welding diantara pembentukan clasts. Bisa juga karena beberapa kompaksi dari jumlah deposit dibawah bebannya sendiri disebabkan karena fiamme • Event penggantian pada suatu lokasi dimungkinkan sekali atau lebih flow unit untuk diletakkan pada suksesi cepat dan pendinginan secara signifikan sebelum proses penggantian lainnya terjadi menghasilkan colling units
• Segi morfologi dari jumlah deposit dari densitas aliran pyroclastic yang tidak dapat mengubur secara sempurna topografi yang sudah ada sebelumnya. Distribusi jumlah deposit ini mengindikasikan bahwa model aliran down-slope pada angle yang tepat untuk membentuk cara ground-hugging/menempel pada tanah. • Terdapat variasi vertikal dari sifat didalam densitas aliran seperti densitas stratifikasi, dimana bagian terbesar deposit berada di lembah, maka disana ada lapisan dari material pyroclastic diatas punggung bukit ataupun sisi lain di lembah atau di perbatasan lembah mengikuti topografi
• Ketinggian punggung bukit dapat digunakan sebagai tolok ukur kecepatan dari deposit dari densitas aliran pyroclastic. Metode ini menyamakan energi potensial yang digunakan untuk mencapai material hingga ketinggian h dari punggung bukit dengan energi kinetik dari material yang mendekati punggung bukit pada kecepatan v (0.5v2)
ASAL MULA DENSITAS ALIRAN PIROKLASTIK
COLUMN COLLAPSE DAN TERBENTUKNYA SEMBURAN PIROKLASTIK Proses runtuhan yang sebelumnya menjadi eruption column yang stabil mempunyai ciri-ciri event-nya berumur pendek secara wajar. Jika sebuah eruption column berhenti menjadi stabil, material pada atas column akan punya jumlah waktu yang sama yang digunakan untuk mencapai tanah seperti pada batu yang dilempar pada ketinggian tertentu yang kemudian akan mencapai tanah. Waktu yang diperlukan sejauh s ketika percepatan gravitasinya g dan tidak ada tarikan gaya atmosfer sekitar [(2s)/g]1/2, maka waktu guguran untuk kolom letusan dengan 20, 30 dan 40 km adalah -63, 77 dan 89 sec. Pada kenyataannya akan ada interaksi luar dari kolom yang gugur dengan udara sekitar. Tidak ada alasan mengapa runtuhan dari sebuah eruption column dapat menyebabkan erupsi berhenti karena tidak ada saksi mata yang dapat menjelaskan apa yang terjadi pada vent selama dan setelah event dengan skala besar, maka tidak ada bukti yang bisa mendukung secara akurat. Campuran dari pyroclasts dan gas vulkanik masih muncul dari vent pada kecepatan tinggi tapi campuran ini tidak lama lagi naik untuk menjadi ringan. Teori menjelaskan bahwa semburan akan terbentuk melewati vent. Ketika mencapai tanah, gas dan pyroclastic berjatuhan pada sisi terluar semburan yang akan bergerak sebagai densitas aliran pyroclastic. Meskipun material terdapat didalam bagian terluar yang akan berinteraksi dengan atmosfer, material di dalam core akan sebagian besar hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi.
Simulasi numerik untuk proses ini menyatakan bahwa tekanan yang naik hingga 10MPa harus ada pada vent dengan peningkatan jumlah gas dalam magma. Konsekuensinya adalah untuk
mengurangi kecepatan semburan yang naik hingga masuk dalam rentang 100-200ms-1,dan penting untuk memperbaiki ketinggian semburan dari 1-8km untuk magma kandungan air sebesar 1-5wt%. Ketinggian paling kecil dari semburan ini berhubungan dengan 'pemasakan' magma melewati vent dalam skala erupsi yang sangat kecil.
LETUSAN LANGSUNG AND RUNTUHAN DARI LAVA DOMES DAN ALIRAN LAVA •
Faktor umum pada ketiga proses ini menunjukkan bahwa kekentalan magma yang meletus untuk membentuk sebuah lava dome atau aliran lava yang pendek yang mungkin berkelanjutan, stabil, mendingin pada lapisan permukaan.
•
Tidak diperhatikan bagaimana mekanisme pemicunya, peristiwa (events) berikutnya mungkin mirip sekali untuk seluruh tipe erupsi.
•
Gelombang dekompressi yang disebut sebagai expansion wave menjalar kedalam arah lava body,dan menyumbang untuk perluasan gabungan gas dan fragmen sampai kasus yang ekstrim yakni hampir seluruh lava body rusak/hancur.
•
Pada kenyataannya proses ini menyebabkan peningkatan densitas aliran pyroclastic dibanding kolom letusan vertikal yang juga secara tegas dipengaruhi oleh densitas terbesar dari gabungan gas dan pyroclasts yang dihasilkan dari disintegrasi lava. Ini juga akan sebagian bergantung pada detail geometri dari lava body dan lokasi dimulainya disintegrasi ini.
•
subjacent magma mengalami erupsi secara eksplosive ke atas dan akan menghasilkan tipe plinian atau jika tidak stabil maka akan terbentuklah semburan pyroclastic. Tentu saja banyak contoh telah diamati dari kolom letusan vertikal yang diproduksi sangat lama sesudah peristiwa runtuhnya kubah.
Ignimbrite emplacement mechanisms Pyroclastic density current awalnya berupa campuran homogen dari gas dan pyroclast dengan range bulk density yang lebar. Saat Pyroclastic density current keluar dari sumbernya, bagian atasnya mulai mengalir mengikuti udara di atasnya. Inklusi udara ini mengurangi bulk density bagian dari aliran yang mengikuti udara tersebut dan menyebabkan density stratification selama mengalir pada aliran. Sebagai bagian dari interaksi antara density current dengan udara di atasnya, campuran dari udara dan gas vulkanik yang terpanaskan memisahkan beberapa bagian kecil clast dari bagian utama aliran dimana membentuk awan di atasnya yang disebut dengan co-ignimbrite cloud atau phoenix cloud. Awan ini mengikuti arah angin, dan menghasilkan deposit clast kecil berupa co-ignimbrite ash fall deposit.
• Deposit hasil dari pyroclastic density current ditentukan oleh hubungan antara upper turbulent zone dan lower hinderedsettling zone. Hasil deposit ini terdiri dari clast yang sudah berpisah ke bagian dasar aliran dan berhenti dari segala gerakan lateral. Lalu batas antara deposit dan aliran bergerak secara konstan ke arah atas relatif ke permukaan tanah pra-erupsi. Pada sebagian aliran, turbulent dilute zone memanjang sampai bagian dasar aliran. Terdapat gradien yang sangat besar pada kecepatan horizontal antara aliran dengan deposit, dan gaya gesek karena clast pada batas mengalami perputaran, tarikan, dan lompatan sepanjang aliran sebelum berhenti. Inilah yang menghasilkan internal stratification pada pyroclastic surge deposits. Intinya, jika bagian dasar aliran didominasi oleh laminar zone of hindered settling dan aliran granular, maka gradien pada kecepatan horizontal antara aliran dan deposit kecil, traksi yang minimal, dan stratifikasi yang jarang.
• Pada gambar di atas ditunjukkan dua distribusi kecepatan yang ekstrim dekat bagian dasar dari pyroclastic density current yang mewakili akhir dari kelanjutan semua konfigurasi yang memungkinkan. Dimana tipe deposisi akan mendominasi di lokasi yang ditentukan pada deposit dapat berubah terhadap waktu jika kondisi pada vent berubah(mass flux, magma volatile content) . Lalu variasi vertikal dan juga lateral pada tekstur dan ukuran butir dari deposit dapat dijelaskan. Selanjutnya, sejauh bahwa topografi iregular memiliki pengaruh yang paling besar terhadap pergerakan bagian terpadat dari aliran, maka akan semakin lebih mudah untuk memahami bagaimana gradasi lateral antara ignimbrites dan surge deposits dapat terbentuk.
SUMMARY
• Kolom erupsi mengandung berbagai macam ukuran material yang dapat jatuh dari ketinggian berapapun. Akan tetapi secara umum, material yang lebih halus dapat terangkat hingga puncak kolom dan semakin besar ukuran material semakin kecil ketinggian maksimumnya. • Dengan menganggap kolom erupsi ideal (gambar 8.1) dapat disimpulkan bahwa jarak lateral jatuhnya material yang diketahui ukuran dan densitasnya , dapat dihubungkan dengan ketinggian dimana material tersebut dilepaskan/ dijatuhkan.
Gambar 8.1
12/2/2014
• Ketinggian dimana material yang diketahui ukuran dan densitasnya dijatuhkan adalah indikator kecepatan pada ketinggian kolom erupsi tersebut. • Apabila campuran gas dan material pyroclast yang membentuk erupsi steady explosive eruption tidak mendapat bouyancy yang cukup kuat, maka bagian kolom yang rendah akan membentuk semburan dan kolom yang lebih tinggi akan mengalir dan terbawa sesuai dengan arah angin.
• Pyroclatic density current adalah awan rendah yang terbentuk oleh material panas dan gas yang bergerak sangat cepat (mencapai 100m/s) dan mengalir hingga puluhan kilometer. • Skala kecil dapat terjadi jika kolom erupsi runtuh atau jika volcanic dome dan lava flow tidak stabil dan hancur menjadi material dan gas.
12/2/2014
• Deposit dari pyroclastic density current skala besar didominasi oleh ignimbrite (grain flow) yang cenderung masif. • Bagian depan dan atas dari pyroclastic density current dapat bergabung dengan udara yang terpanaskan secara kuat dan meningkat ke atas tubuh density current, membawa material halus yang membentuk co-ignimbrite atau awan phoenix yang akan mendepositkan material yang halus (fine-grained)
