TRANSIENT VULCANIC ERUPTION
• Letusan transient dapat terjadi ketika ada kontak antara magma dengan air permukaan atau air bawah permukaan (disebut juga air meteoric, karena dihasilkan oleh air hujan dari atmosfer). • Kejadian ini biasa disebut dengan erupsi hidromagmatik, walaupun istilah phreatomagmatic biasa digunakan ketika air yang terlibat adalah air tanah
Letusan Magmatik
Letusan Magmatik Kedua tipe ini memiliki beberapa kesamaan : • Tiap letusannya berdurasi pendek (detik hingga menit) • Jeda antar letusan individu biasanya pendek (detik hingga jam) • Letusan biasanya terjadi berurutan, walaupun jedanya bisa bervariasi, dari hitungan hari hingga tahun) • Kedua tipe erupsi bersifat mengeluarkan material secara balistik. Material yang dilemparkan dapat berupa blok batu besar hingga bom vulkanik.
Letusan Magmatik • Kedua erupsi ini dibedakan komposisi material magmatic yang terlibat. • Strombolian memiliki letusan kecil yang melibatkan magma basaltic dimana hampir semua material yang dikeluarkan adalah magmatic dan dengan kecepatan rendah (kurang dari 200 m/s) dan material terdeposit dekat dengan vent. • Sedangkan erupsi Vulkanian umumnya melibatkan magma intermediet dan berkecepatan tinggi (200-400 m/s).
Letusan Magmatik • Kunci perbedaan antara keduannya adalah tekanan dimana dihasilkan di dalam vent sebelum erupsi. • Erupsi vulkanian dicirikan dengan tekanan yang lebih tinggi pada vent dari pada erupsi strombolian. • Mekanisme dasar kedua tipe erupsi adalah terjadinya system magmatic terbuka dimana vent atau kolom magma tertutup oleh magma yang relative dingin. • Naiknya kecepatan magma dari bawah dengan system rendah artinya gelembung gas magma naik melalui magma diatasnya dan terakumulasi di bawah sumbat vent.
Letusan Magmatik Pada erupsi strombolian biasanya gas yang terakumulasi yang menyebabkan updoming dari ‘kulit’ magma yang telah mendingin di atas kolom magma. ‘Kulit ‘magma yang telah mendingin masih tetap bersifat plastis dan dapat meregang dan berbentuk seperti karet balon yang ditiup. Saat “kulit” gelembung pecah melepaskan gas yang berada di dalamnya dan menegeluarkan gas serta memecahkan “kulit” gelembung ke atas dan keluar Jika magma yang membentuk “kulit” mendingin pada suhu yang rendah maka dia akan membentuk sumbat vent yang rapuh yang memiliki ketahanan yang lebih pada “kulit” yang bersifat plastis. Pada kasus ini tekanan yang lebih akan dibutuhkan untuk membangun sumbatan vent tersebut sebelum sumbat vent gagal terbentuk dan erupsi terjadi.
Letusan Magmatik Pada erupsi vulkanian sumbat vent terbentuk dari magma yang dingin dan/atau terbentuk dari material dari letusan sebelumnya yang telah jatuh kembali ke dalam vent dan menutupnya. Kecepatan tinggi pada letusan vulkanian menunjukkan bahwa kekuatan sumbat vent vulkanian lebih kuat dari strombolian jadi dibutuhkan tekanan yang tinggi untuk menhancurkan sumbatan vent.
Tekanan Lubang Relatif Terhadap Kecepatan Erupsi
PEMODELAN LETUSAN MAGMA TRANSIENT
• Pada SubBab 6.3 mengatakan bahwa pada saat fase erupsi yang tenang(steady) terjadi ekspansi gas sehingga menambah energi untuk mempercepat dan mengeluarkan(erupt) campuran magma dan gas • Energi yang digunakan untuk erupsi itu dapat didefinisikan sebagai pers. energi (pse 6.4) • Pers. energi sepeti itu membentuk dasar untuk semua cara terhadap dinamika dari letusan transient
• Ada 2 cara yang ekstrim untuk gas dapat berekspansi: adiabatik atau isotermal • Adiabatik saat ekspansi temperatur gas turun tetapi tidak ada panas yang masuk • Isothermal saat ekspansi temperatur tidak berubah karena ada panas yang masuk • Pada fase tenang yang dijelaskan di bab 6 sebelumnya diasumsikan bahwa ekspansi yang muncul adalah isothermal. Asumsi ini benar pada kasus saat fase tenang karena gas hanya berperan kecil dari total massa yang terupsi, dan semakin besar massa magma yang membentuk reservoar panas yang dapat menjaga temperatur gas hampir konstan selama kontak antara gas dan magma cukup bagus.
• Pada kasus letusan transient, kontak antara gas dan magma tidak terlalu bagus-skala waktu pendek dari letusan berarti tidak banyak panas yang dapat menjalar dari dalam piroklas ke permukaan untuk mencapai gas. Malah ekspansi lebih seperti mendekati adiabatik. • Pada kasus ini per. Energi dapat dituliskan sebagai berikut n = fraksi massa gas Q = konstanta gas universal m = berat molekul dari gas Ti = suhu awal dari gas dan magma γ = rasio panas dari gas Pi = tekanan awal gas Pf = tekanan akhir(sama dengan tekanan atmosfer,Pa) ρm = densitas material magma
Ui = keceapatan awal gas(biasanya nol karena kelajuan magma sangatlah kecil) Uf = kecepatan akhir dari gas pada akhir ekpansi g = percepatan gravitasi h = jarak vertikal meterial magma selama ekspansi
• Seperti Pers. 6.4, bagian kiri dari persamaan menunjukkan energi yang keluar oleh ekspansi gas(dalam hal ini adiabtik) sedangkan bagian kanan menunjukkan 3 cara pembebasan energi yang digunakan dalam erupsi. • Yang pertama menunjukkan perubahan energi kinetik sistem,dengan kata lain energi yang digunakan untuk mempercepat gas dan magma dalam letusan. Bagian kedua menunjukkan energi yang digunakan untuk mengangkat material magmatik terhadap medan gravitasi saat sedang dipercepat. Yang terakhir berfokus pada gesekan antara gas dan material magmatik dan udara yang melewatinya seperti air drag(gesekan udara).
Model Awal • Asumsi : udara di depan ekspansi gas dan magma adalah tetap • oleh karena itu sejumlah energi yang besar dari letusan akan digunakan untuk melampaui gesekan udara yang melawan setiap kepingan dari material padat • Observasi biasanya mengirimkan gelombang kejut keluar dari titik letusan sedikit didepan dari ekspansi awan dari gas dan padat • Gelombang kejut ini mendorong udara sekitar keluar pada tahap awal letusan, daripada berpikir tentang gaya gesek beraksi pada tiap-tiap fragmen yang solid, lebih baik kita mengevaluasi energi untuk menggeser atmosfer seluruhnya.
• Letusan strombolian = kandungan hancuran volatile < 1 wt% • Letusan Vulkanik= kandungan volatile dalam magma mencapai beberapa persen • Gb. 7.1 diberikan kandungan volatile yang lebih besar karena adanya perkiraan akumulasi gas sebelum letusan • Rentang tekanan yang digunakan dalam perhitungan dibatasi pada 10 Mpa karena tidak ada batuan yang sangat kuat untuk menahan tekanan yang besar ini mengumpul sebelum mereka hancur.
• Kecepatan clast Heimaey = 150-230 m/s, sdgkan Stromboli = 50-100 m/s • Kandungan gas Heimaey = 11 wt %, dan Stromboli = 36-38 % • Kombinasi kecepatan pengeluaran dan kandungan gas menyatakan bahwa kekuatan sumbat sebelum retak adalah < 0,3 Mpa • Kekuatan dari sumbat yang kecil itu sejalan dengan ide bahwa sumbatnya masih plastis dan mudah terdeformasi sebelum letusan • Observasi pada lava flow dan pada pendinginan lava di danau lava menunjukkan bahwa kekuatannya meningkat bersamaan dengan mendinginnnya magma,dengan kekuatan maksimum yang terekam untuk lava basalt sekitar 0,23 Mpa • Oleh karena itu, kekuatan yang diperkirakan pada gambar 7.1 tetap konsisten dengan ide bahwa hasil kekuatan terbentuk saat pendinginan tapi sumbat lava tetap plastis yang dikontrol oleh tekanan yang terbentuk sebelum erupsi dan juga kecepatan pengeluaran dari clasts
• Daya rentang dari magma yang mengeras sangat bervariasi berdasarkan bagaimana retakan dalam batuan. Nilai 10 MPa yang digunakan sebagai batas atas dalam perhitungan ini menunjukkan kekuatan batuan beku asli yang tak retak • Dalam praktiknya sumbat lubang mempunyai retakan atau mengandung komponen material yang masuk lagi ke dalam lubang • Rentang kekuatan yang diestimasikan dari gambar 7.1 masih sejalan dengan kekuatan material sumbat lubang.
Predicting The Range Of Ballistic Clasts
PEMODELAN LETUSAN MAGMA TRANSIENT
Selama fase awal dari letusan , gas mengembang dan gas serta material klastik material letusan bergerak keatas keluar dari sumber letusan sebagai massa tunggal. Menuju ke akhir proses pengembangan gas, batas antara atmosfer dan material letusan hilang, gas yang berasal dari letusan bercampur dengan udara dan melambat dengan cepat, dan partikel-partikel padat terkecil yang mengalami dorongan dari gas juga melambat. Partikel –partikel ini melepas panas di udara dan memanaskan udara disekitarnya, sehingga tercipta konveksi kolom erupsi. Sementara itu material letusan yang besar (bongkah) bergerak dengan kecepatan tinggi. Bongkahbongkahan ini mengalami dorongan oleh udara ,sehingga perlu dilakukan perhitungan untuk menentukan sejauh mana bongkahbongkahan ini dapat terlontar.
• Kita membuat analisis dengan sedikit lebih mudah dengan mengimajinasikan bahwa bongkahan tersebut berbentuk bola, Gaya hambat/gesek ( fd) , berlaku pada bola dengan radius (R) bergerak dengan kecepatan tinggi (U) melalui gas dengan densitas (ρ) adalah:
dengan Cd adalah koefisien hambat yang nilainya berkisar antara 0.5 hingga 1.3 untuk bongkahan besar (blok) tergantung dari bentuk dan kekerasannya dan juga dari rotasinya apakah bongkah tersebut berputar atau tidak, angka rata-rata 0.7 dipakai disini
• Gaya kedua yang terjadi pada bongkah adalah gaya gravitasi , dimana gaya gravitasi menariknya kembali ke permukaan bumi. Gaya gravitasi yang terjadi pada bongkah-bongkahan yang memiliki densitas dan radius R ditunjukkan oleh persamaan :
Persamaan diatas merupakan hukum newton ketiga, bahwa percepatan merupakan hasil dari gaya yang berlaku dibagi oleh massa.
• Berdasarkan hukum newton yang ketiga, percepatan hambatan udara /air drag acceleration (A) ditunjukkan oleh :
• Persamaan diatas disederhanakan menjadi :
Tabel 7.1 parameter-parameter pada transient explosive eruptions ( S:Strombolian: V: Vulcanian). D, menunjukkan diameter dari volcanic bomb terbesar yang terukur; R, menunjukkan jarak maksimum dimana bomb terlempar; Up kecepatan maksimum dari lontaran di akhir pengembangan gas (gas expansion); Pi menunjukkan tekanan pada gas di awal letusan; n, menunjukkan persentase berat dari produk letusan yang mengandung gas; KE; menunjukkan perbandingan kinetic energy terhadap total energi letusan; PE, menunjukkan potensial energi; & DE menunjukkan energi yang digunakan untuk menekan atmosfer.
Tinggi Plume pada Erupsi Transient
PEMODELAN LETUSAN MAGMA TRANSIENT
Pada transient eruption , hal yang mempengaruhi tinggi plume adalah : – total panas yang dihasilkan – total massa dari material erupsi (gas &padat) – interval waktu antara letusan yang satu dengan letusan lainnya
• Hubungan antara total massa dari material erupsi (gas &padat) terhadap atmosfer bumi ditunjukkan oleh persamaan sebagai berikut :
dimana : H = tinggi plume (km) Me = total massa dari material erupsi yang berupa gas & padat (kg)
Hubungan Interval Waktu Antar Letusan Dengan Tinggi Plume Yang Terbentuk • Contoh kasus pada erupsi Stromboli , terjadi letusan yang muncul pada interval waktu sekitar 10 menit, dimana tersedia waktu yang cukup untuk plume yang tecipta akibat satu letusan berhamburan ke udara (disperse) sebelum muncul satu letusan lainnya. Massa yang keluar dapat mencapai 500 kilogram dan mampu menghasilkan plume dengan ketinggian maksimum sekitar 200 meter.
Contoh Lain : Erupsi Heimaey 1973 • Erupsi jenis strombolian pada Heimaey pada 1973 terjadi letusan letusan individual yang muncul setiap 0.5-2 detik. Jeda waktu antar letusan yang sedikit ini menyebabkan plume yang terbentuk karena satu letusan, tidak memiliki cukup waktu untuk ter-disperse sebelum terjadi letusan berikutnya, sehingga plume tetap ada dan menghasilkan plume dengan ketinggian 6 hingga 10 km. Material yang dihasilkan Heimaey berkisar kg. Material ini keluar setiap detik sehingga laju rata-rata material yang dihasilkan adalah kg s-1 menghasilkan plume dengan ketinggian 6.3 km.
Erupsi Heimaey 1973
TRANSIENT ERUPTION INVOLVING EXTERNAL WATER
• Air external (nonmagmatic) dapat berperan dalam suatu aktivitas vulkanik. • Beberapa erupsi tipe vulkanian diduga sebagai hasil interaksi magma dan air tanah dibanding dari larutan padat dan pemisahan volatile magma. • Erupsi tersebut HYDROVULCANIC
merupakan
erupsi
HYDROMAGMATIC
/
• Erupsi tipe vulkanian berisi air tersebut yang diduga merupakan hasil dari interaksi antara magma dan air bawah tanah, tetapi interaksi juga bisa muncul di laut dangkal dan dalam.
Tipe Erupsi Hydromagmatic • Tipe interaksi pada erupsi hidromagmatik bergantung pada volume relatif air dan magma dan situasi dua material itu bisa bercampur. Saat air melimpah (setting bawah laut) interaksi antara magma dan air mungkin tidak akan eksplosif. Saat lava meletus di bawah laut biasanya membentuk aliran yang diketahui sebagai pillow lava. • Namun, saat volume air lebih kecil dibanding volume magma, maka air diubah ke uap tekanan tinggi. Jika hal ini terus berlanjut, meningkatnya volume menyebabkan erupsi.
Pillow Lava yang terbentuk di dasar laut sebagai hasil dari aktivitas vulkanisme bawah laut (Image courtesy of the Monterey Bay Aquarium Research Institute. (c) 2001 MBARI.)
Ketika magma mendingin seiring dengan terpanaskannya air dan suhu akhir dari campuran itu minimal 1/3 dari suhu awal magma, anggap saja 500 K. Densitas dari air 1000 kg/m3, namun densitas magma pada 500 K adalah 0.43 kg/m3. Oleh karena itulah konversi air ke uap menyebabkan ekspansi volume >2000 kali, dan menyebabkan erupsi hidromagmatik. Interaksi semacam ini membuat sebagian besar erupsi hidromagmatik yang membentuk kawah disebut maar.
Ukinrek, Alaska (1977)
Ukinrek Maars
Pentingnya jumlah relatif air dan magma dalam mengontrol tingkat erupsi hidromagmatik dengan menghitung suhu setimbang (Tc), dari hasil uap dan fragmen magma yang mendingin ketika air dan magma bercampur. Panas yang hilang oleh magma (Hm) :
dimana Vm, ρm, cm, Tm adalah volume, densitas, konstanta kalor, dan suhu awal magma.
Kalor yang diperoleh air (Hw), sejumlah panas yang dibutuhkan untuk membuat air mencapai titik didihnya lalu menghasilkan uap. Dinyatakan dalam :
dimana Vw, ρw, cw, Tw, adalah volume, densitas, konstanta kalor, dan suhu awal air. Lw, adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk mendidihkan air, dan cst merupakan kalor laten uap.
Interaksi yang paling eksplosif yaitu dimana air berjumlah 25-30% dari total volume campuran.
Produk Hydromagmatic Eruption • Produk padat erupsi hidromagmatik umumnya fragmental dan disebut hydroclasts (Fisher dan Schmincke (1984)), bukan piroklastik. Produk erupsi ini diantaranya berupa tephra, ledakan breksi, lava bantal, tuf palagonitic dan zeolitik,, lahar blok dan bom, sinter silika dan travertine, dan breksi intrusif dan tuf.
