Eruptive dynamics and petrological evolution of recent volcanism on the El Hierro Island. Implications for volcanic hazard assessment
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Meletlidis, Stavros
2018-A
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RESUMEN
El archipiélago canario se extiende aproximadamente 500 km al NO del margen de la placa africana, y se comprende por siete islas principales y cuatro menores, formando parte de la llamada región de Macaronesia, junto con los archipiélagos de Azores, Madeira, Islas Salvajes y Cabo Verde. Dentro del contexto geodinámico oceánico, el archipiélago canario está ubicado en la corteza oceánica de la gran placa africana, específicamente en el margen continental pasivo, con un espesor cortical que excede los 20 km. Es un buen ejemplo de volcanismo intraplaca alcalino oceánico. Según los datos radioisotópicos disponibles (Carracedo et al., 1998), el archipiélago comenzó su formación hace unos 60Ma y aún es volcánicamente activo. Durante este periodo temporal, se han producido múltiples períodos de actividad volcánica acompañados de un amplio rango de composiciones de magma y estilos eruptivos.
Se han propuesto diversos modelos para explicar el origen de las Islas Canarias, como el del punto caliente, la fusión por descompresión, la fractura de propagación generada por el Atlas o el modelo de «bloques elevados» basado en las fracturas regionales que ayudaron a elevar las islas. El origen del archipiélago es todavía motivo de debate.
Aunque el volcanismo monogenético es el tipo más extendido de actividad volcánica en el planeta (Walker 2000) y se caracteriza por una gran diversidad de estilos y productos eruptivos, generalmente se asocia a un bajo nivel de riesgo volcánico, subestimándose habitualmente en la evaluación de riesgos.
Casi todas las islas han tenido actividad subaérea holocénica, excepto La Gomera, con 18 erupciones en los últimos 520 años (actividad histórica) en Tenerife, La Palma, Lanzarote y El Hierro. Todos estos eventos eruptivos han sido erupciones monogenéticas basálticas, con una única excepción, la erupción de 1798 de Montaña Chahorra en Tenerife (en la ladera del complejo volcánico Teide-Pico Viejo) en la que se emitió magma de composición intermedia. Todas las erupciones históricas han tenido lugar a lo largo de estructuras lineales o zonas identificadas como rifts. Las principales estructuras generadas por este tipo de erupciones (concentradas en campos volcánicos o zonas de rifts) son conos de cenizas y escorias, formados por productos piroclásticos y flujos de lava, que pueden alcanzar varios kilómetros de longitud. Eventualmente, se pueden generar depósitos freatomagmáticos, cuando se produce una interacción entre el magma y el agua (vulcanismo submarino somero o conos litorales).
Estas erupciones, tradicionalmente, están asociadas con una única entrada de magma y muy influenciadas por los campos locales y regionales de estrés. Otros parámetros que pueden ser importantes en la evolución de la actividad, como en cualquier otra actividad volcánica, son la composición, volumen de la intrusión y el contraste reológico y de densidades en profundidad. Estudios recientes han revelado que, incluso en una erupción monogenética, podría ser posible una evolución geoquímica interna, principalmente debido a las múltiples entradas magmáticas involucradas y a los controles locales del estrés, responsables de la migración y finalmente erupción del magma.
Las condiciones internas y externas, en combinación con la profundidad donde se almacenan y a la que se transportan los magmas, dificultan la anticipación y pronóstico de la evolución de este tipo de erupciones, principalmente en áreas con largos periodos de reposo y con una variedad magmática como en las Islas Canarias, donde un nuevo volcán podría aparecer casi en cualquier lugar.
La reconstrucción de la estructura, geometría, composición y condiciones del sistema de alimentación en las erupciones monogenéticas preexistentes en las Islas Canarias, junto con los datos obtenidos (petrológicos, sismológicos, geodésicos, etc.) de una erupción en curso como fue la erupción submarina de El Hierro 2011, nos ha permitido progresar significativamente en la comprensión de los procesos que tienen lugar, mejorar nuestro conocimiento sobre las erupciones monogenéticas y, como consecuencia, fortalecer la correcta y eficaz evaluación de la peligrosidad, mitigando y reduciendo los riesgos para las vidas humanas e infraestructuras.
The Canarian archipelago, extends over approximately 500 km in total along the passive continental margin off NW Africa, comprises seven major and four minor islands, and it is part of the so called Macaronesia region, together with the archipelagos of Azores, Madeira, Salvajes and Cape Verde. Within the oceanic geodynamic context, the Canary archipelago is located on oceanic crust of the big African plate, specifically upon the passive continental margin, with thickness exceeding 20 km. It is a good example of oceanic intraplate alkaline volcanism.
According the radioisotopic data available (Carracedo et al., 1998) the archipelago has been formed during the last 60 Ma and is still volcanically active. Multiple periods of volcanic activity accompanied with extreme range in magma compositions and eruptive styles have been exhibited during the evolution.
A wide variety of models have been proposed for the origin of the Canary Islands, such as, hot spot, decompressing fusion, Atlas generated propagating fracture, or the «block» model based on regional fractures that helped elevate the islands.
Holocene sub-aerial activity has occurred on all islands, except La Gomera, with 18 eruptions in the last 520 years (historic activity) on Tenerife, La Palma, Lanzarote and El Hierro. All these eruptive events consist of monogenetic basaltic eruptions along structures or zones identified as rifts (only the 1798 of Montaña Chahorra in Tenerife, expulsed intermediate composition magma and was located at the base of the Teide-Pico Viejo volcanic complex).
Although monogenetic volcanism is the most extended type of volcanic activity on the planet (Walker 2000) and is characterized by a large diversity of eruptive styles and products, it is generally associated to low level volcanic hazard and many times it is underestimated in the hazard assessment.
The main structures generated by these type of eruptions (concentrated as volcanic fields or long rift zones) are cinder cones, formed by the pyroclastic products and lava flows, that can reach several kilometres length. Eventually, can generate phreatomagmatic deposits, when an interaction between magma and water occurs (shallow submarine volcanism or littoral cones).
These eruptions, traditionally, are associated with a single batch and pulse of magma and are greatly influenced by local and regional stress fields. Other parameters that can be important in the evolution of the activity, as in any other volcanic activity, are magma composition, volume, and rheological contrast beneath the surface.
Recent studies have revealed that, even in a monogenetic eruption, an internal geochemical evolution could be possible, mainly because of the multiple batches involved and the importance of the local stress controls in the migration and finally eruption of magma.
Complexity, derived from these internal and external conditions in combination with the depth where magmas are stored and transported, is reflected in the difficulty to anticipate and forecast these types of eruptions and their evolution, especially, for areas with long quiescent periods and a variety of magmas as in the Canary Islands, where a new volcano could come up in any location.
The reconstruction of the structure, geometry, composition and plumbing system conditions of preexisted monogenetic eruptions on the Canary Islands along with the data obtained (petrological, seismological, geodetical, etc.) of an eruption in course such was the 2011 El Hierro eruption will help us obtain a significant progress in understanding the processes that take place, improve our knowledge on monogenetic eruptions and as a consequence enhance hazard assessment and reduce the risk to human lives.
CONTENTS
Abstract III
1. Introduction 1
1.1. Thesis overview – Canary Islands, magmas and eruptions 1
1.2. Products of a newborn volcano 6
1.3. An explosive felsic eruption on an oceanic island 11
1.4. Clarifying the dubious origin of the xenopumices 15
1.5. Modelling through instrumental data and erupted products 19
1.6. Not a calm basaltic eruption 27
2. Results 35
3. Discussion 51
4. Conclusions 63
5. References 67
6. Annexes 79
6.1. Meletlidis, S., A. Di Roberto, M. Pompilio, A. Bertagnini, I. Iribarren, A. Felpeto, P. A. Torres, and C.
D’Oriano (2012). Xenopumices from the 2011-2012 submarine eruption of El Hierro (Canary Islands,
Spain): Constraints on the plumbing system and magma ascent, Geophys. Res. Lett.,
doi:10.1029/2012GL052675
6.2. Pedrazzi, D., Becerril, L., Martí, J., Meletlidis, S., Galindo, I. (2014). Explosive felsic volcanism on El Hierro
(Canary Islands). Bull of Volcanology, 76:863. doi: 10.1007/s00445-014-0863-1
6.3. S. Del Moro, A. Di Roberto, S. Meletlidis, M. Pompilio, A. Bertagnini, S. Agostini, F. Ridolfi, A. Renzulli
(2015). Xenopumice erupted on 15 October 2011 offshore of El Hierro (Canary Islands): a subvolcanic
snapshot of magmatic, hydrothermal and pyrometamorphic processes. Bull of Volcanology, Volume 77:53.
doi: 10.1007/s00445-015-0940-0
6.4. S. Meletlidis, A. Di Roberto, I. Domínguez Cerdeña, M. Pompilio, L García-Cañada, A. Bertagnini, M. A.
Benito-Saz, P. Del Carlo, S. Sainz-Maza Aparicio (2015). New insight into the 2011-2012 unrest and
eruption of El Hierro Island (Canary Islands) based on integrated geophysical, geodetical and petrological
data. Annals of Geophysics, [S.l.], v. 58, n. 5, p. S0546, doi: 10.4401/ag-6754
6.5. Di Roberto, A.; Bertagnini, A.; Del Carlo, P.; Meletlidis, S.; Pompilio, M. (2016). The 1909 Chinyero eruption
on Tenerife (Canary Islands): insights from historical accounts, and tephrostratigraphic.
La erupción de El Hierro 2011-2012 resultó ser una excelente oportunidad para estudiar el volcanismo basáltico monogenético en la isla, comparar los productos emitidos con los de erupciones anteriores y aplicar técnicas e información instrumental para obtener un conocimiento integral sobre los procesos que tienen lugar antes y durante este tipo de erupciones.
Este enfoque multidisciplinario proporciona nueva información sobre el ascenso del magma, las condiciones y los procesos internos en las erupciones basálticas, los mecanismos de deposición, los escenarios de interacción y finalmente sus productos.
Los hallazgos de este trabajo pueden desempeñar un papel importante en la mejora de la evaluación de riesgo volcánico no solo para la isla de El Hierro, sino para todo el Archipiélago Canario y potenciar los estudios sobre el volcanismo monogenético basáltico, que definitivamente es más probable que ocurra en los próximos años en alguna de las islas.
La erupción de El Hierro estuvo marcada por un rápido ascenso del magma basanítico desde la profundidad de 12-14 km. A continuación, y a poca profundidad, interactuó con una bolsa de magma traquítico y con su halo de alteración asociado con composición riolítica. El magma traquítico y las rocas alteradas se calentaron, y generaron las xenopumitas, gris y blanca. Después de la mezcla y poco antes de la extrusión, basanita y xenopumitas compartieron un evento simultáneo de nucleación y crecimiento de burbujas seguido de un enfriamiento rápido.
El origen magmático de las xenopumitas está indicado por la presencia de minerales restíticos parcialmente fundidos. Su mineralogía coincide con la de las rocas de composición traquiandesitica/traquitaitica y también muestra una firma geoquímica comparable con la traquiandesita y las rocas traquíticas de El Hierro.
Además, la relación de isótopos de Nd de las xenopumitas coinciden perfectamente con la de los productos del volcanismo en la isla. La evidencia de alteración hidrotermal sufrida por la roca que ha dado las xenopumitas, antes del pirometamorfismo, se puede encontrar en la presencia de cuarzo zonado, agregados microcristalinos pseudomórficos, vetas mineralizadas y las variaciones isotópicas de Sr y Pb.
A diferencia del miembro Malpaso, que pertenece a una erupción explosiva desarrollada en la zona central de la isla, esta bolsa magmática no ha tenido suficiente volumen de magma traquítico, para poder cambiar la dinámica de la erupción, aunque, durante las primeras etapas de ella, y debido a los altos contenidos en volátiles, tuvo lugar una fase violenta, que podría identificarse como una actividad explosiva moderada de tipo estromboliano. La forma y la textura de los productos emitidos, la rápida construcción del cono submarino y el fuerte burbujeo en la superficie del océano dan indicios de esta actividad.
El estudio del depósito sub-aéreo de Malpaso, originado a partir de una erupción explosiva de tipo oleadas de base (base-surge) acompañadas por el emplazamiento radial de Densos Flujos Piroclásticos (PDC) diluidos, proporciona información de la interacción magma/agua en la dinámica de la erupción. Esto, y las composiciones similares de los productos de la erupción de 2011, hace evidente que las intrusiones basálticas tienen el potencial para producir erupciones explosivas.
Según datos geofísicos y geodésicos, la erupción de 2011 fue impulsada por una migración gradual de una bolsa de magma, entre tres ambientes magmáticos principales, que incluyen un depósito profundo, un reservorio de magma cortical y el conducto final poco profundo y con la zona del punto de emisión.
Cuando en julio de 2011, el magma alcanzó la profundidad de 8-12 km, inicialmente se propagó como dedos o lóbulos de pequeños volúmenes que no podían generar nuevas fracturas dentro del edificio volcánico y su propagación estaba controlada por un complejo intrusivo preexistente y sus zonas de debilidad, dando como resultado la distribución de los eventos sísmicos observada.
En septiembre de 2011, el magma migró hacia el sur formando un sistema de almacenamiento en la costa de El Júlan y hubo un cambio en la profundidad de la actividad sísmica (12-16 km). Después de un período de estancamiento de alrededor de un mes, el magma ascendió rápidamente, en la zona pre-eruptiva, desde donde se produjo un ascenso asísmico, a través de caminos relativamente débiles –que podrían identificarse como intrusiones previas– y pequeñas bolsas interconectadas de magmas evolucionados.
El ascenso escalonado de bolsas de magma de volúmenes relativamente pequeños (probablemente en forma de diques y sills interconectados) está de acuerdo con lo propuesto por Stroncik et al. (2009) para El Hierro y otros volcanes intraplaca, con un ascenso del magma, en múltiples etapas.
A partir de los datos petrológicos se puede deducir que la erupción fue alimentada por un solo magma cuya composición varió a través de un proceso dominante de fraccionamiento de cristales y cúmulos de cristales de fases máficas, de acuerdo con los nuevos resultados en Longpré et al. (2017).
Desafortunadamente, la modelización termodinámica no puede discriminar si este proceso ocurre en el reservorio en el manto o en la zona de almacenamiento en el Moho.
El mismo mecanismo de ascenso del magma, como en la erupción de El Hierro, funcionó en la erupción Chinyero de 1909, que fue alimentada por una bolsa de magma composicionalmente homogénea. La ascensión fue relativamente rápida desde la profundidad sin estancamiento significativo. Al menos en las primeras fases, el magma ascendente produjo una erupción bastante violenta. Las columnas de erupción produjeron las la caída de piroclástos bien fragmentados y escasas bombas balísticas. Este tipo de actividad produjo una fuerte lluvia de lapilli y cenizas en todo el flanco NE de la isla de Tenerife, con la ceniza alcanzando a la isla de Gran Canaria situada a más de 100 km del cono.
Los resultados de esta tesis doctoral confirman la importancia del estudio de los primeros productos en una erupción, ya que pueden contener información crucial sobre la estructura del volcán y el mecanismo de ascenso del magma.
La combinación de los datos petrológicos con los datos instrumentales puede ser una herramienta muy útil, para evaluar el estado del sistema magmático y su posible evolución.
El desarrollo y los datos obtenidos del proceso volcánico, si lo comparamos con la actividad que hemos tenido en el pasado, puede proporcionar información sobre patrones de erupciones futuras.
La evaluación del riesgo volcánico, a largo y corto plazo para las islas, debería tener en cuenta posibles escenarios como han sido la erupción submarina de 2011, la erupción félsica explosiva de Malpaso y la interacción magma/agua y la erupción de Chinyero; erupción basáltica, que no ha durado más que 10 días pero inicialmente ha tenido fases violentas.
El estudio de la intensidad y de la magnitud real de las erupciones basálticas que se han desarrollado en el pasado, es una tarea necesaria, para obtener toda la información que nos ayudaría entender los procesos que conducen al proceso volcánico, que a su vez son fundamentales para una mejor comprensión de la evolución de un área volcánica activa, como las Islas Canarias.