Vulcanologia Sperimentale

Chimico-fisica dei magmi: struttura dei fusi silicatici; significato della polimerizzazione e sua determinazione su base teorica. Effetto della Temperatura, pressione e composizione sulla struttura dei fusi. La temperatura di transizione vetrosa e il rilassamento strutturale.
Attività teorica
Chimico-fisica dei magmi. Struttura dei fusi silicatici; significato della polimerizzazione e sua determinazione su base teorica. Effetto della temperatura, della pressione e della composizione sulla struttura dei fusi. Temperatura di transizione vetrosa e rilassamento strutturale.
Proprietà fisiche e termodinamiche dei magmi. Densità, viscosità, solubilità dei volatili, diffusività, compressibilità e conducibilità elettrica. Proprietà termodinamiche dei magmi: entalpia, entropia e capacità termica. Variazioni di densità e viscosità in funzione della composizione, della pressione e della temperatura. Influenza del regime deformativo, della cristallizzazione e della vescicolazione sulla reologia dei magmi.
Influenza delle proprietà fisico-chimiche dei magmi sulla risalita del magma e sugli stili eruttivi. Il processo di risalita dei magmi. Formazione, accrescimento ed evoluzione delle bolle. Cinetica di nucleazione e crescita delle bolle e dei cristalli. Frammentazione ed esplosività dei magmi. Evoluzione dei principali parametri fisici e della reologia del magma durante la risalita verso la superficie.
Il processo effusivo. Principali tipi di colate laviche e morfologie superficiali in funzione del tasso eruttivo e delle proprietà reologiche. Effetto della topografia del versante sulla velocità e sulla distanza percorribile dalle colate.
Il processo esplosivo. Parametri fisici che controllano gli stili eruttivi. Eruzioni esplosive sostenute: formazione delle colonne eruttive; colonne sostenute e ricaduta di tefra; collasso della colonna e genesi delle correnti piroclastiche. Eruzioni esplosive transienti.
Il corso prevede ed esercizi numerici finalizzati alla determinazione quantitativa dei parametri tessiturali delle prodotti eruttivi (cristallinità vescicolarità e distribuzione delle taglie) e alla simulazione dei processi vulcanologici.

Attività di laboratorio
Le attività di laboratorio prevedono l’esecuzione diretta da parte degli studenti di misure sperimentali e l’elaborazione e interpretazione autonoma dei dati ottenuti, finalizzate alla determinazione delle proprietà fisico-chimiche dei materiali silicatici e alla comprensione delle loro relazioni con i processi magmatici ed eruttivi.
Sono previste attività sperimentali ad alta temperatura e l’utilizzo di differenti metodologie per la caratterizzazione dei materiali silicatici, comprendenti:
• determinazione della densità di vetri e magmi mediante dilatometria;
• determinazione della viscosità mediante micropenetrometria, viscosimetria a cilindri concentrici e pressa uniassiale;
• determinazione della transizione vetrosa, della viscosità e delle proprietà termiche mediante calorimetria a scansione differenziale (DSC) e calorimetria flash;
• determinazione del contenuto in volatili mediante analisi termogravimetrica (TGA) e titolazione Karl Fischer;
• determinazione del contenuto in H₂O e CO₂ e caratterizzazione della struttura dei materiali silicatici mediante spettroscopia Raman, anche ad alta temperatura.
I dati acquisiti durante le attività sperimentali vengono elaborati quantitativamente e interpretati dagli studenti attraverso l’applicazione delle conoscenze e dei metodi acquisiti durante il corso.

È richiesta una conoscenza di base dei principi di vulcanologia, mineralogia e petrologia ignea, nonché dei concetti fondamentali di geologia, geodinamica e chimica necessari per comprendere la composizione, la struttura e le proprietà fisico-chimiche dei sistemi magmatici.

Non sono previste propedeuticità formali.

Prima parte – Proprietà fisico-chimiche dei magmi
Sigurdsson, H., Houghton, B., McNutt, S.R., Rymer, H. & Stix, J. (Eds.) (2000). Encyclopedia of Volcanoes. Academic Press.
In particolare:
• Wallace, P.J. & Anderson, A.T. Jr. (2000). Volatiles in Magmas.
• Spera, F.J. (2000). Physical Properties of Magmas.
Seconda parte – Dinamica dei magmi e processi eruttivi
Parfitt, E., Wilson, L. & Kerber, L. (2025). Fundamentals of Physical Volcanology, 2nd ed. Wiley.
Sigurdsson, H., Houghton, B., McNutt, S.R., Rymer, H. & Stix, J. (Eds.) (2000). Encyclopedia of Volcanoes. Academic Press.
In particolare, i capitoli relativi all’explosive volcanism.
Materiale didattico integrativo fornito dal docente.
BIBLIOGRAFIA DI RIFERIMENTO
Gonnermann, H.M. & Manga, M. (2007). The Fluid Mechanics Inside a Volcano. Annual Review of Fluid Mechanics, 39, 321–356.
Fagents, S.A., Gregg, T.K.P. & Lopes, R.M.C. (Eds.) (2013). Modeling Volcanic Processes: The Physics and Mathematics of Volcanism. Cambridge University Press.
In particolare:
• Gonnermann, H.M. & Manga, M. (2013). Dynamics of Magma Ascent in the Volcanic Conduit, Chapter 4, pp. 55–84.
• James, M.R., Lane, S.J. & Houghton, B.F. (2013). Unsteady Explosive Activity: Strombolian Eruptions, Chapter 6, pp. 107–128.
• Clarke, A.B. (2013). Unsteady Explosive Activity: Vulcanian Eruptions, Chapter 7, pp. 129–152.
• Woods, A.W. (2013). Sustained Explosive Activity: Volcanic Eruption Columns and Hawaiian Fountains, Chapter 8, pp. 153–172.

FUNDAMENTAL OF PHYSICAL VOLCANOLOGY. ELISABETH A. PARFITT AND LIONEL WILSON. BLACKWELL PUBLISHING
Materiale fornito dal docente

Il corso prevede lezioni frontali, esercizi numerici e attività sperimentali svolte presso il laboratorio di Experimental Volcanology and Petrology (EVPlab).
L’insegnamento comprende 5 CFU di attività teorica, corrispondenti a 40 ore di lezione, e 1 CFU di attività di laboratorio, corrispondente a 12 ore di attività sperimentale, per un totale di 6 CFU.
Le lezioni frontali sono finalizzate all’acquisizione delle conoscenze teoriche relative alla struttura e alle proprietà fisico-chimiche dei magmi e alla comprensione delle relazioni tra tali proprietà, i processi di risalita magmatica e la dinamica delle eruzioni vulcaniche.
Gli esercizi numerici sono finalizzati all’applicazione quantitativa delle conoscenze acquisite, attraverso l’analisi e l’elaborazione di dati, la determinazione di parametri fisici e tessiturali e la simulazione di processi vulcanologici.
Le attività di laboratorio prevedono la partecipazione diretta degli studenti all’esecuzione di esperimenti e misure per la determinazione delle proprietà fisico-chimiche dei materiali silicatici mediante le metodologie sperimentali illustrate durante il corso. Gli studenti acquisiscono ed elaborano i dati sperimentali ottenuti e sono progressivamente guidati alla loro interpretazione autonoma e alla valutazione critica dei risultati, applicando le conoscenze e i metodi acquisiti anche all’analisi di problemi e dati non precedentemente esaminati.
Le attività teoriche, quantitative e sperimentali sono integrate tra loro al fine di sviluppare la capacità di mettere in relazione composizione, struttura e proprietà fisico-chimiche dei magmi con la dinamica dei processi magmatici ed eruttivi.

La frequenza delle lezioni frontali e delle esercitazioni pratiche presso il laboratorio di Experimental Volcanology and Petrology (EVPlab) è disciplinata secondo quanto previsto dal Regolamento didattico del Corso di Studio, cui si rimanda per le percentuali minime di frequenza richieste e per le eventuali disposizioni specifiche previste per particolari categorie di studenti.

L’esame consiste in una prova orale individuale, della durata orientativa di circa 40 minuti, che verte sull’intero programma dell’insegnamento.
Il colloquio prende avvio da una domanda relativa a uno degli argomenti affrontati durante il corso e si sviluppa attraverso domande successive, finalizzate a verificare la capacità dello studente di collegare differenti aspetti della disciplina e di mettere in relazione le conoscenze teoriche con le proprietà fisico-chimiche dei magmi, i dati sperimentali e la dinamica dei processi eruttivi.
Nel corso del colloquio viene sempre proposta una domanda relativa alla componente sperimentale dell’insegnamento, nella quale lo studente è chiamato a descrivere il principio di funzionamento e le modalità di applicazione di una delle strumentazioni o metodologie sperimentali utilizzate durante le esercitazioni, discutendone il ruolo nella determinazione delle proprietà fisico-chimiche dei materiali silicatici.
Nel corso dell’esame può inoltre essere richiesto allo studente di interpretare dati sperimentali, grafici e diagrammi, riprodurre e discutere l’andamento di grafici significativi affrontati durante il corso e richiamare e utilizzare le principali relazioni quantitative ed equazioni rilevanti per la descrizione dei processi studiati. Tali elementi vengono utilizzati anche per verificare la capacità dello studente di applicare le conoscenze e i metodi acquisiti all’interpretazione di problemi o dati non precedentemente esaminati.
La valutazione tiene conto della conoscenza e comprensione dei contenuti dell’insegnamento, della capacità di applicare le conoscenze acquisite all’interpretazione dei processi magmatici ed eruttivi e dei dati sperimentali, della comprensione dei principi di funzionamento e delle applicazioni delle metodologie sperimentali, della capacità di analizzare criticamente i dati e formulare interpretazioni motivate, nonché della chiarezza dell’esposizione, della capacità di argomentazione e dell’uso appropriato della terminologia scientifica.
Nel loro insieme, le modalità di verifica consentono di valutare le competenze riconducibili ai cinque Descrittori di Dublino: la discussione dei contenuti teorici verifica principalmente la conoscenza e capacità di comprensione; la discussione delle metodologie sperimentali e l’interpretazione di dati, grafici, diagrammi e relazioni quantitative verificano la capacità di applicare conoscenza e comprensione e l’autonomia di giudizio; l’applicazione autonoma delle conoscenze e dei metodi acquisiti a problemi o dati non precedentemente esaminati consente di verificare la capacità di apprendimento; l’intero colloquio consente infine di valutare le abilità comunicative, attraverso la chiarezza dell’esposizione, la capacità di argomentare le proprie interpretazioni e l’appropriatezza del linguaggio scientifico.

Attività di laboratorio che verrà svolta durante l’intero arco temporale delle lezioni. Il corso prevede attività di laboratorio per la determinazione sperimentale delle proprietà fisico-chimiche dei magmi (esperimenti di alta temperatura e misure spettroscopiche) ed esercizi numerici finalizzati alla determinazione quantitativa dei parametri tessiturali delle prodotti eruttivi (cristallinità vescicolarità e distribuzione delle taglie) e alla simulazione dei processi vulcanologici.

E' necessaria una conoscenza dei fondamenti di vulcanologia, mineralogia e di petrologia ignea, e dei concetti di base di geologia e di geodinamica.

Prima parte (Proprietà fisico chimiche dei magmi)
Encyclopedia of Volcanoes Haraldur Sigurdsson - Academic Press
Origin and Transport of Magma - Volatiles in Magmas (Paul Wallace and Alfred T. Anderson, Jr.)
Physical Properties of Magmas (Frank J. Spera)

Seconda parte (dinamiche eruttive e di trasporto dei magmi)
Fundamental of Physical Volcanology Elisabeth A. Parfitt and Lionel Wilson - Blackwell publishing
Encyclopedia of Volcanoes Haraldur Sigurdsson - Academic Press
Explosive Volcanism

Annual review of fluid mechanics “The Fluid Mechanics Inside a Volcano” (Helge M. Gonnermann and Michael Manga)

Modeling volcanic processes “The Physics and Mathematics of Volcanism”
edited by Sarah Fagents Tracy GreggRosaly Lopes - Cambridge publishing
Chapter 4 Dynamics of magma ascent in the volcanic conduit (Helge M. Gonnermann and Michael Manga)
Chapter 6 Unsteady explosive activity: strombolian eruptions (Mike R. James, Steve J. Lane, and Bruce F. Houghton)
Chapter 7 Unsteady explosive activity: vulcanian eruptions (Amanda B. Clarke)
Chapter 8 Sustained explosive activity: volcanic eruption columns and hawaiian fountains (Andrew W. Woods)

Articoli tematici
Speciazione dell’acqua nei magmi
Sowerby and Keppler, 1999
Ruolo strutturale dell’acqua nei magmi attraverso studi spettroscopici
Xue and Kanzaki, 2008
Viscosità di magmi anidri e idrati
Giordano et al., 2009
Effetto dei cristalli e bolle nella viscosità dei magmi
Mader et al., 2013
Tessiture
Shea et al., 2010

Al fine di conseguire i risultati di apprendimento attesi, il corso è organizzato in lezioni frontali e esercitazioni pratiche che si svolgeranno nel laboratorio di Vulcanologia e Petrologia Sperimentale (EVPlab).

Le lezioni frontali e esercitazioni pratiche nel laboratorio di experimental volcanology and petrology (EVPlab) sono obbligatorie.

L'esame prevede una prova orale che verte sull’intero programma dell’insegnamento.