Insights Into the Mechanisms of Phreatic Eruptions From Continuous High Frequency Volcanic Gas Monitoring: Rincón de la Vieja Volcano, Costa Rica

Abstract

Understanding the trigger mechanisms of phreatic eruptions is key to mitigating the effects of these hazardous but poorly forecastable volcanic events. It has recently been established that high-rate volcanic gas observations are potentially very suitable to identifying the source processes driving phreatic eruptions, and to eventually detecting precursory changes prior to individual phreatic blasts. In February-May 2017, we deployed a Multi-GAS instrument to continuously monitor gas concentrations in the crater lake plume of Rincón de la Vieja, a remote and poorly monitored active volcano in Costa Rica, site of frequent phreatic/phreatomagmatic eruptions. Forty-two phreatic/phreatomagmatic eruptions were seismically recorded during our investigated period, 9 of which were also recorded for gas by the Multi-GAS. To the best of our knowledge, these represent the first instrumentally measured gas compositions during individual phreatic/phreatomagmatic explosions at an active volcano. Our results show that during background quiescent degassing the Rincón de la Vieja crater lake plume was characterized by high CO2/SO2 ratios of 64±59 and H2S/SO2 ratios of 0.57±0.20. This composition is interpreted as reflecting hydrothermal (re)processing of magma-sourced gas in the sub-limnic environment. Phreatic blasts were recorded by the Multi-GAS as brief (1–2min long) pulses of elevated gas mixing ratios (up to ∼52 ppmv SO2 and >3,000 ppmv CO2), or more than an order of magnitude higher than during background degassing (∼1 ppmv SO2 and ∼450 ppmv CO2). During the phreatic eruption(s), the H2S/SO2 ratio was systematically lower (<0.18) than during background degassing, but the CO2/SO2 ratio remained high (and variable), ranging from 37 to 390. These S-poor compositions for the eruptive gas imply extensive processing of the source magmatic gas during pre-eruptive hydrothermal storage, likely by deposition of native S and/or sulfate. Our gas results are thus overall consistent with amechanismof phreatic eruptions triggered by accumulation of magmatic-hydrothermal gases beneath a hydrothermal seal. We claim that real-time Multi-GAS monitoring is urgently needed at other crater lake-hosting volcanoes (e.g., Ruapehu, Aso), where phreatic eruptions may similarly be preceded by phases of reduced S degassing at the surface.

Comprender los mecanismos desencadenantes de las erupciones freáticas es clave para mitigar los efectos de estos eventos volcánicos peligrosos pero poco predecibles. Recientemente se ha establecido que las observaciones de gases volcánicos de alta tasa son potencialmente muy adecuadas para identificar los procesos de origen que impulsan las erupciones freáticas y, finalmente, detectar cambios precursores antes de las explosiones freáticas individuales. En febrero-mayo de 2017, implementamos un instrumento Multi-GAS para monitorear continuamente las concentraciones de gas en el penacho del lago del cráter de Rincón de la Vieja, un volcán activo remoto y poco monitoreado en Costa Rica, sitio de frecuentes erupciones freáticas/freatomagmáticas. Cuarenta y dos erupciones freáticas/freatomagmáticas fueron registradas sísmicamente durante nuestro período investigado, 9 de las cuales también fueron registradas para gas por el Multi-GAS. Hasta donde sabemos, estos representan las primeras composiciones de gas medidas instrumentalmente durante explosiones freáticas/freatomagmáticas individuales en un volcán activo. Nuestros resultados muestran que durante la desgasificación en reposo de fondo, la pluma del lago del cráter Rincón de la Vieja se caracterizó por una alta relación CO2/SO2 de 64±59 y una relación H2S/SO2 de 0,57±0,20. Esta composición se interpreta como un reflejo del (re)procesamiento hidrotermal del gas procedente del magma en el entorno sublímnico. Las explosiones freáticas fueron registradas por el Multi-GAS como pulsos breves (de 1 a 2 minutos de duración) de proporciones de mezcla de gases elevadas (hasta ~52 ppmv de SO2 y >3000 ppmv de CO2), o más de un orden de magnitud superior que durante la desgasificación de fondo ( ∼1 ppmv SO2 y ∼450 ppmv CO2). Durante la(s) erupción(es) freática(s), la relación H2S/SO2 fue sistemáticamente más baja (<0,18) que durante la desgasificación de fondo, pero la relación CO2/SO2 se mantuvo alta (y variable), con un rango de 37 a 390. Estas composiciones pobres en S para el gas eruptivo implica un procesamiento extenso de la fuente de gas magmático durante el almacenamiento hidrotermal previo a la erupción, probablemente por la deposición de S nativo y/o sulfato. Nuestros resultados de gas son, por lo tanto, en general consistentes con un mecanismo de erupciones freáticas provocadas por la acumulación de gases magmático-hidrotermales debajo de un sello hidrotermal. Afirmamos que se necesita urgentemente el monitoreo Multi-GAS en tiempo real en otros volcanes que albergan lagos de cráter (por ejemplo, Ruapehu, Aso), donde las erupciones freáticas pueden estar precedidas de manera similar por fases de desgasificación reducida de S en la superficie.