transient vulcanic eruption

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.