Johannes Georg Raue

• Die bruchhafte Fragmentation von höherviskosem Magma ist ein bedeutender Prozess im explosiven Vulkanismus. Deren Fragmentationsenergie ist linear an die Entstehung neugebildeter Bruchfläche gekoppelt. Aus diesem Grund ist es wichtig, die mechanische Energie der Schmelzefragmentation zu quantifizieren, um die physikalischen Vorgänge während dieses vulkanologischen Vorgangs besser verstehen zu können. Deshalb war es das Ziel der vorliegenden Arbeit eine Kenngröße der Fragmentationsleistung von vulkanischen Schmelzen der Phlegräischen FelderDie bruchhafte Fragmentation von höherviskosem Magma ist ein bedeutender Prozess im explosiven Vulkanismus. Deren Fragmentationsenergie ist linear an die Entstehung neugebildeter Bruchfläche gekoppelt. Aus diesem Grund ist es wichtig, die mechanische Energie der Schmelzefragmentation zu quantifizieren, um die physikalischen Vorgänge während dieses vulkanologischen Vorgangs besser verstehen zu können. Deshalb war es das Ziel der vorliegenden Arbeit eine Kenngröße der Fragmentationsleistung von vulkanischen Schmelzen der Phlegräischen Felder (Neapel/Italien) zu definieren und somit ihren vulkanischen Ablagerungen spezifische Fragmentationsenergien zuzuweisen. Das Vulkangebiet der Phlegräischen Felder ist durch langanhaltenden explosiven Vulkanismus gekennzeichnet. Die bruchhaft entstandenen Feinaschen-Ablagerungen intermediärer Zusammensetzung bedecken ein Gebiet von ca. 1000 km2. Dieses Gebiet wird heute von ca. 2 Millionen Menschen bevölkert. Diese Arbeit stellt eine Methodik vor, mit der die Fragmentationsenergie von solchen höher-viskosen Schmelzen intermediärer Zusammensetzung durch Laborexperimente und Granulometrie der erzeugten Partikel ermittelt werden kann. Die Materialparameter der kritischen Schubspannung und des kritischen Scherstress wurden mit einem sogenannten Gasdruck-Fragmentations-Versuch (GFV) experimentell bestimmt. Ferner konnten durch den GFV Erkenntnisse über das Fragmentationsverhalten dieser Schmelzen unter verschiedenen treibenden Gasdrücken gewonnen werden. Dieser spezielle Versuchsaufbau basiert auf Fragmentation von Schmelze durch Druckluft, die von unten in einen Tiegel geleitet wird. Ein individuell einstellbarer Gasdruckluftstoß führt in der Schmelze zu einer Zunahme der Schubspannung und einem Druckaufbau, der vergleichbar mit der Kraftrampe eines Biegeversuchs ist. Während dieser Zeit kommt es zur Mikrobruchbildung, die sich von der Schmelzeoberfläche nach unten fortsetzt. Nach dem Überschreiten der Bruchgrenze relaxiert das Schmelzematerial durch Ausbildung von Sprödbrüchen und wird nach oben ausgeworfen. Die Aufzeichnung der physikalischen Parameter und die optische Versuchsüberwachung erlaubten eine komplette Energiebilanzierung des Vorgangs. Die neugebildete Bruchfläche der entstandenen Partikel wird durch Granulometrie und Anwendung der Methode von Brunnauer-Emmet-Teller (BET) bestimmt. Somit kann die Fragmentationsenergie auf die Bruchfläche bezogen und als Materialparameter des kritischen Scherstresses ausgedrückt werden. Der GFV wurden durch normierte Laborexperimente an dem selben Schmelzematerial ergänzt. Dabei dienten statische Biegeversuche unter Raumtemperatur zur Überprüfung der über GFV bilanzierten Scherstresse. Die Rotationsviskosimetrie zeigte, dass der Materialparameter der Viskosität nicht geeignet ist, um Rückschlüsse über Materialverhalten im bruchhaften Regime zu ziehen. Anschließend wurde einer definierten Tephraschicht der Phlegräischen Felder eine spezifische Fragmentationsenergie zugeordnet, indem die experimentellen Ergebnisse auf Felddaten bezogen wurden. Diese spezifische Energie von ca. 8*1010 kJ entspricht der Sprengkraft von ca. 20.000 Tonnen Trinitrotoluol (TNT). Die Qualität eines hazard assessment gefährdeter Vulkangebiete wie z.B. der Phlegräischen Felder wird durch die Kenntnis der Energieaufteilung während des Eruptionsprozesses (Fragmentationsenergie, Auswurfenergie etc.) wesentlich verbessert. Die Kenntnis der Energien dient beispielsweise der Skalierung ballistischer Modelle, mit deren Hilfe dichtbevölkerte Zonen ausgewiesen werden können, die bei künftigen Eruptionen der Phlegräischen Felder durch den Niedergang von Pyroklastika bedroht sind.…
• The brittle fragmentation of highly viscous melt is a major part of explosive eruptions. It is important to quantify the mechanical energy needed for the melt-fragmentation in order to assess this volcanic physical process. The Phlegrean Volcanic Field (Naples/Italy) is characterized by long-term explosive volcanism. Fine-ash deposits of brittle origin and intermediate composition cover an area of about 1000 km2. Nowadays this area is inhabitated by about 2 Million people. This thesis presents a method to determine the fragmentation energy ofThe brittle fragmentation of highly viscous melt is a major part of explosive eruptions. It is important to quantify the mechanical energy needed for the melt-fragmentation in order to assess this volcanic physical process. The Phlegrean Volcanic Field (Naples/Italy) is characterized by long-term explosive volcanism. Fine-ash deposits of brittle origin and intermediate composition cover an area of about 1000 km2. Nowadays this area is inhabitated by about 2 Million people. This thesis presents a method to determine the fragmentation energy of such highly viscous melts of intermediate composition, using laboratory experiments and granulometry data of the produced particles. The rock parameters critical shear stress and fragmentation energy were determined, using the so called “Gas-Fragmentation-Test“ (GFV). Further, the GFV was useful to determine the fragmentation behaviour of these melts under varying driving pressures. This special fragmentation setup is based on a gas pressure blow (applying compressed air) which leads to a shear tension increase in the melt volume. The pressure built-up is comparable to a load force of a centre-loading flexural test. During this time microcrack propagation migrates from the upper melt surface downward. After exceeding the fragmentation limit the melt relaxes, resulting in brittle fractures. The monitoring of the partition of energies as well as the highspeed video recording of the process allows the calculation of the total fragmentation energy. The total fracture area of particles was quantified, using granulometry and the multipoint Brunnauer-Emmett-Teller method. Thus the fragmentation energy was related to the total fracture area and expressed as critical shear stress, which represents a material parameter. The GFV were complemented by standardised laboratory experiments. Static centre-loading flexural tests were carried out on the same material to check the ambient temperature shear stress values. Moreover measurements showed that determination of the melts viscosity this parameter is not useful to describe fragmentation in the brittle field. Afterwards the fragmentation energy needed to produce one tephra layer of the Phlegrean material was calculated, using the experimental results and field data. This energy value of approx. 8*1010 kJ corresponds to the explosive power of approx. 20.000 tons of trinitrotoluene (TNT). Finally, the knowledge of energy-partitioning is a useful tool to scale numerical models of the eruption and to improve the quality of hazard assessment in vulnerable volcanic regions like the Phlegrean Volcanic Field. In this way densely urbanized regions, which are threatened by the deposit of pyroclastics, were determined.…