Gas volcánico

Los gases volcánicos son gases emitidos por volcanes activos (o, en ocasiones, inactivos) . Estos incluyen gases atrapados en cavidades (vesículas ) de rocas volcánicas , gases disueltos o disociados en el magma y la lava , o gases que emanan de la lava, de cráteres volcánicos o chimeneas hidrotermales. Los gases volcánicos también pueden emitirse a través de aguas subterráneas calentadas por la actividad volcánica .

Las fuentes de gases volcánicos en la Tierra incluyen:

• constituyentes primordiales y reciclados del manto terrestre ,
• constituyentes asimilados de la corteza terrestre ,
• Las aguas subterráneas y la atmósfera terrestre .

Las sustancias que pueden convertirse en gases o desprender gases al calentarse se denominan sustancias volátiles.

Los gases volcánicos no solo se liberan durante una erupción; también pueden filtrarse lentamente cuando un volcán está inactivo mediante un proceso continuo conocido como desgasificación pasiva, que puede persistir durante años. Incluso pequeñas emisiones pueden afectar el medio ambiente circundante al alterar la química del suelo y del agua, e impactar a las plantas y los animales. Al estudiar los cambios en la composición de los gases y las tasas de emisión, los científicos pueden monitorear la actividad volcánica y evaluar los riesgos potenciales antes de que ocurra una erupción.

Los componentes principales de los gases volcánicos son el vapor de agua (H₂O ₎ , el dióxido de carbono (CO₂ ₎ , el azufre , ya sea como dióxido de azufre (SO₂ ₎ (gases volcánicos de alta temperatura) o sulfuro de hidrógeno (H₂S ₎ (gases volcánicos de baja temperatura), nitrógeno , argón , helio , neón , metano , monóxido de carbono e hidrógeno . Otros compuestos detectados en los gases volcánicos son el oxígeno (meteórico) , el cloruro de hidrógeno , el fluoruro de hidrógeno , el bromuro de hidrógeno , el hexafluoruro de azufre , el sulfuro de carbonilo y compuestos orgánicos . Entre los compuestos traza exóticos se incluyen el mercurio , ^{[ 1 ]} los halocarbonos (incluidos los CFC ) ^{[ 2 ]} y los radicales de óxido de halógeno . ^{[ 3 ]}

La abundancia de gases varía considerablemente de un volcán a otro, según la actividad volcánica y el contexto tectónico . El vapor de agua es consistentemente el gas volcánico más abundante, constituyendo normalmente más del 60 % de las emisiones totales. El dióxido de carbono suele representar entre el 10 y el 40 % de las emisiones. ^{[ 4 ]}

Los volcanes ubicados en límites de placas convergentes emiten más vapor de agua y cloro que los volcanes en puntos calientes o límites de placas divergentes . Esto se debe a la adición de agua de mar a los magmas formados en las zonas de subducción . Los volcanes de límites de placas convergentes también presentan mayores proporciones de H₂O/H₂, H₂O/CO₂, CO₂/He y N₂/ _{He que} los _volcanes de _puntos calientes o _límites de _placas divergentes . ^{[ 4 ]}

El magma contiene componentes volátiles disueltos , como se describió anteriormente. La solubilidad de estos volátiles depende de la presión, la temperatura y la composición del magma . A medida que el magma asciende, la presión ambiental disminuye, reduciendo la solubilidad de los volátiles disueltos. Cuando la solubilidad cae por debajo de la concentración de volátiles, los gases se exsuelven, formando una fase gaseosa separada, y el magma se sobresatura en volátiles.

El gas se distribuirá inicialmente por todo el magma en forma de pequeñas burbujas que no pueden ascender rápidamente. A medida que el magma asciende, las burbujas crecen debido a la descompresión y a la exsolución adicional causada por la disminución de la solubilidad de los volátiles. Dependiendo de la viscosidad del magma, las burbujas pueden ascender y coalescer o permanecer relativamente fijas en su lugar hasta formar una red continua. En el primer caso, las burbujas pueden acumularse en superficies verticales, como el techo de una cámara magmática. En volcanes con un conducto abierto hacia la superficie, como el Stromboli en Italia , las burbujas pueden alcanzar la superficie produciendo pequeñas explosiones al estallar. En el segundo caso, el gas puede fluir rápidamente a través de la red permeable hacia la superficie, un mecanismo observado en Santiaguito, volcán Santa María , Guatemala ^{[ 5 ]} y en el volcán Soufrière Hills , Montserrat ^{[ 6 ]} .

Si el gas no puede escapar con la suficiente rapidez, el magma se fragmenta en ceniza fina. La ceniza fluidizada ofrece mucha menos resistencia al movimiento que el magma viscoso, por lo que se acelera, provocando una mayor expansión del gas y un rápido desplazamiento de la mezcla. Esta secuencia da lugar al vulcanismo explosivo. Que el gas escape suavemente (erupciones pasivas) o violentamente (erupciones explosivas) depende del contenido total de volátiles del magma y de su viscosidad , la cual está determinada por su composición.

El término desgasificación en "sistema cerrado" se refiere a un proceso en el que el gas y su magma de origen ascienden juntos, manteniéndose en equilibrio . La composición del gas emitido refleja el equilibrio con el magma a la presión y temperatura en la que el gas abandona el sistema. En la desgasificación en "sistema abierto", el gas se separa de su magma de origen y asciende a través del magma suprayacente sin permanecer en equilibrio. Como resultado, el gas liberado en la superficie representa un promedio del flujo de masa del magma exsuelto a diferentes profundidades y no corresponde a las condiciones del magma en ninguna profundidad específica.

La roca fundida (magma o lava) cerca de la atmósfera libera gases volcánicos a alta temperatura (>400  °C). En las erupciones explosivas , la liberación repentina de gases del magma puede provocar rápidos movimientos de la roca fundida. Cuando el magma entra en contacto con agua, como agua de mar, agua de lago o agua subterránea, puede fragmentarse rápidamente. La rápida expansión de los gases es el principal mecanismo impulsor de la mayoría de las erupciones volcánicas explosivas. Sin embargo, una proporción significativa de gases volcánicos también se libera durante las fases de vulcanismo activo, que son casi continuas y tranquilas.

Cuando el gas magmático que asciende se encuentra con agua meteórica en un acuífero , se produce vapor. El calor magmático latente también puede hacer que las aguas meteóricas asciendan en fase de vapor. La interacción prolongada fluido-roca de esta mezcla caliente puede lixiviar componentes de la roca magmática en enfriamiento y también de la roca encajante , causando cambios de volumen y transiciones de fase, reacciones y, por lo tanto, un aumento en la fuerza iónica del fluido que percoló hacia arriba. Este proceso también disminuye el pH del fluido . El enfriamiento puede causar separación de fases y deposición de minerales , acompañada de un cambio hacia condiciones más reductoras. En la expresión superficial de tales sistemas hidrotermales , los gases volcánicos de baja temperatura (<400  °C) emanan como mezclas de vapor y gas o en forma disuelta en fuentes termales . En el fondo del océano, tales fluidos hidrotermales calientes sobresaturados forman estructuras gigantescas de chimenea llamadas fumarolas negras , en el punto de emisión en el agua de mar fría .

A lo largo del tiempo geológico, este proceso de lixiviación hidrotermal, alteración y/o redeposición de minerales en la roca huésped es un proceso eficaz de concentración que genera ciertos tipos de depósitos minerales de valor económico .

La liberación de gas puede ocurrir por advección a través de fracturas, o por desgasificación difusa a través de grandes áreas de suelo permeable como estructuras de desgasificación difusa (EDD). En los sitios de pérdida de gas advectiva, la precipitación de azufre y minerales raros forma depósitos de azufre y pequeñas chimeneas de azufre, llamadas fumarolas . ^{[ 7 ]} Las estructuras fumarólicas de muy baja temperatura (por debajo de 100  °C) también se conocen como solfataras . Los sitios de desgasificación fría de dióxido de carbono predominante se llaman mofetas . Las fuentes termales en los volcanes a menudo muestran una cantidad medible de gas magmático en forma disuelta.

Las emisiones globales actuales de gases volcánicos a la atmósfera se clasifican comúnmente como eruptivas o no eruptivas. Si bien los volcanes emiten muchos tipos de gases, las emisiones de CO₂ ₍ un gas de efecto invernadero ) y SO₂ _han sido las más estudiadas debido a sus efectos sobre la atmósfera, el clima y los ecosistemas locales. ^{[ 8 ]}

Se ha reconocido desde hace tiempo que las erupciones contribuyen sustancialmente menos a las emisiones totales de SO₂ _que la desgasificación pasiva. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Fischer et al (2019) estimaron que entre 2005 y 2015, las emisiones de SO₂ _durante las erupciones promediaron 2,6 teragramos (Tg o ^10¹² g) por año ^{[ 11 ]} en comparación con 23,2 ± 2 Tg por año durante los períodos no eruptivos de desgasificación pasiva. ^{[ 11 ]} Durante el mismo intervalo, las emisiones volcánicas de CO₂ _se estimaron en 1,8 ± 0,9 Tg por año de las erupciones y 51,3 ± 5,7 Tg por año de la actividad no eruptiva. ^{[ 11 ]} Estas estimaciones indican que las emisiones eruptivas de CO₂ _representan menos del 10 % de la producción anual total de CO₂ _volcánico .

Aunque las grandes erupciones son raras, pueden liberar cantidades significativas de gas en cortos periodos. La erupción del 15 de junio de 1991 del Monte Pinatubo ( VEI 6) en Filipinas liberó aproximadamente 18 ± 4 Tg de SO₂ _. [ ^{12 ] Estas} grandes erupciones VEI 6 son raras y ocurren solo una vez cada 50-100 años. De manera similar, las erupciones de 2010 del Eyjafjallajökull (VEI 4) en Islandia emitieron un total de 5,1 Tg de CO₂ _. [ ^{13 ] Las} erupciones VEI 4 ocurren aproximadamente una vez al año. A pesar de estas liberaciones sustanciales, las emisiones totales a largo plazo por desgasificación pasiva siguen siendo mayores que las de eventos eruptivos individuales. ^{[ 11 ]}

A modo de comparación, Le Quéré, C. et al. estima que la quema humana de combustibles fósiles y la producción de cemento procesaron 9,3 Gt de carbono por año entre 2006 y 2015, ^{[ 14 ]} equivalente a 34,1 Gt de CO₂ _anualmente . Si bien los volcanes son una fuente natural importante de dióxido de carbono, las actividades humanas representan actualmente la mayor parte del aumento de CO₂ atmosférico. ^{[ 8 ] [ 11 ]}

Algunas estimaciones recientes de emisiones volcánicas de CO₂ _son más altas que las reportadas por Fischer et al . (2019). ^{[ 11 ]} Las estimaciones de Burton et al. (2013) de 540 Tg CO₂ _/ año ^{[ 15 ]} y de Werner et al. (2019) de 220-300 Tg CO₂ _por año ^{[ 13 ]} incorporan la desgasificación difusa del suelo de regiones volcánicas, lo que resulta en totales globales más grandes.

Los gases volcánicos fueron recolectados y analizados ya en 1790 por Scipione Breislak en Italia. ^{[ 16 ]} La composición de los gases volcánicos depende del movimiento del magma dentro del volcán. Por lo tanto, los cambios repentinos en la composición de los gases suelen presagiar un cambio en la actividad volcánica. En consecuencia, gran parte del monitoreo de riesgos volcánicos implica la medición regular de las emisiones gaseosas. Por ejemplo, un aumento en el contenido de CO₂ _de los gases en Stromboli se ha atribuido a la inyección de magma fresco rico en volátiles en profundidad dentro del sistema. ^{[ 17 ]}

Los gases volcánicos pueden detectarse (medirse in situ) o muestrearse para su posterior análisis. La detección de gases volcánicos puede realizarse de las siguientes maneras:

• dentro del gas mediante sensores electroquímicos y celdas de gas espectroscópicas infrarrojas de flujo continuo.
• fuera del gas mediante espectroscopia remota terrestre o aérea , por ejemplo, espectroscopia de correlación (COSPEC), espectroscopia de absorción óptica diferencial (DOAS) o espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR).

El dióxido de azufre (SO₂ ₎ absorbe fuertemente en las longitudes de onda ultravioleta y tiene bajas concentraciones de fondo en la atmósfera. Estas características hacen del dióxido de azufre un buen objetivo para el monitoreo de gases volcánicos. Puede detectarse mediante instrumentos basados ​​en satélites, que permiten el monitoreo global, y mediante instrumentos terrestres como DOAS. Los conjuntos de DOAS se colocan cerca de algunos volcanes bien monitoreados y se utilizan para estimar el flujo de SO₂ _emitido . El Sistema Analizador de Gases Multicomponente (Multi-GAS) también se utiliza para medir remotamente CO₂ _, SO₂ _y H₂S _. [ ^{18 ] Los} flujos de otros gases generalmente se estiman midiendo las proporciones de diferentes gases dentro de la pluma volcánica, por ejemplo, mediante FTIR, sensores electroquímicos en el borde del cráter volcánico o muestreo directo, y multiplicando la proporción del gas de interés con respecto al SO₂ _por el flujo _{de SO₂ .}

La toma de muestras directas de gases volcánicos se realiza a menudo utilizando un matraz al vacío que contiene una solución cáustica , un método empleado por primera vez por Robert W. Bunsen (1811-1899) y posteriormente perfeccionado por el químico alemán Werner F. Giggenbach (1937-1997), conocido como botella de Giggenbach . Otros métodos incluyen la recolección en recipientes vacíos al vacío, en tubos de vidrio de flujo continuo, en botellas de lavado de gases (depuradores criogénicos), en paquetes de filtros impregnados y en tubos adsorbentes sólidos.

Las técnicas analíticas para muestras de gas comprenden la cromatografía de gases con detección por conductividad térmica (TCD), la detección por ionización de llama (FID) y la espectrometría de masas (GC-MS) para gases, así como diversas técnicas químicas húmedas para especies disueltas (por ejemplo, titulación acidimétrica para _CO₂ disuelto y cromatografía iónica para sulfato , cloruro y fluoruro ). La composición de metales traza, compuestos orgánicos traza e isotópica se determina habitualmente mediante diferentes métodos de espectrometría de masas.

Ciertos componentes de los gases volcánicos pueden mostrar señales muy tempranas de cambios en las profundidades, lo que los convierte en una herramienta poderosa para predecir actividad volcánica inminente. Utilizado junto con datos de monitoreo de sismicidad y deformación , el monitoreo correlativo gana gran eficiencia. El monitoreo de gases volcánicos es una herramienta estándar en cualquier observatorio volcánico . Desafortunadamente, los datos composicionales más precisos aún requieren campañas de muestreo de campo peligrosas. Sin embargo, las técnicas de teledetección avanzaron enormemente durante la década de 1990. El Proyecto de Desgasificación Profunda de Carbono de la Tierra emplea la teledetección Multi-GAS para monitorear 9 volcanes de forma continua.

Los gases volcánicos fueron directamente responsables de aproximadamente el 3% de todas las muertes humanas relacionadas con volcanes entre 1900 y 1986. ^{[ 4 ]} Algunos gases volcánicos matan por corrosión ácida ; otros matan por asfixia . Algunos gases volcánicos, incluidos el dióxido de azufre, el cloruro de hidrógeno, el sulfuro de hidrógeno y el fluoruro de hidrógeno, reaccionan con otras partículas atmosféricas para formar aerosoles . ^{[ 4 ]}

Además de estos peligros, los gases volcánicos pueden filtrarse lentamente en grandes áreas de suelo poroso, denominadas zonas de desgasificación difusa. ^{[ 19 ]} Incluso cuando un volcán no está en erupción, gases como el dióxido de carbono pueden acumularse en zonas bajas y alcanzar concentraciones peligrosas, lo que supone un riesgo para las personas, los animales y la vegetación. ^{[ 19 ]} Los gases volcánicos también pueden alterar el suelo y las aguas subterráneas , aumentando la acidez y afectando a los ecosistemas circundantes. ^{[ 19 ]} Dado que estos peligros pueden ocurrir lejos de la chimenea volcánica y no siempre son visualmente evidentes, el monitoreo de las concentraciones de gases es un componente importante de la evaluación de riesgos volcánicos. ^{[ 20 ]}

• 
  Esquema de una erupción volcánica
• 
  Volg en Hawái , erupciones del Kilauea en 2008
• 
  Fuentes de lava en Holuhraun
• 
  Columnas de erupción mixta en Holuhraun , Islandia, en 2014.
• 
  Campo de lava desgasificada , Holuhraun, Islandia
• 
  Pozos de lodo desgasificantes en la zona geotérmica de alta temperatura de Hverarönd, sistema Krafla , norte de Islandia.
• 
  Desgasificación en Grand Prismatic Spring, Parque Nacional de Yellowstone.

• Amígdala : cavidad de gas llena en roca ígnea extrusiva. 
• Columna de erupción : nube de ceniza caliente y gases volcánicos emitidos durante una erupción volcánica explosiva. 
• Fumarola : abertura volcánica que emite gases calientes. 
• Leyes de los gases – Leyes físicas que describen los gases 
• Géiser : erupción explosiva natural de agua caliente. 
• Lago Nyos – Lago de cráter en la región noroeste de Camerún 
• Mofeta – Punto por donde escapa el dióxido de carbono en un volcán. Páginas que muestran descripciones breves de los destinos de redireccionamiento. 
• Solfatara – Abertura volcánica que emite gases calientes Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redirección 
• Volatilidad (química) : Tendencia de una sustancia a vaporizarse. 
• Volátil (astrogeología) : Elementos y compuestos que se vaporizan fácilmente. 

• Programa de Peligros Volcánicos del USGS: Gases Volcánicos y sus Efectos. Archivado el 1 de agosto de 2013 en Wayback Machine.
• IVHHN; USGS: Los riesgos para la salud de los gases volcánicos y geotérmicos. Una guía para el público.