Resumen Con la ayuda del software BALÍSTICA, desarrollado por el autor, fue posible analizar la posible trayectoria de un bloque balístico eyectado el 29 octubre del 2014, que impactó el puesto de guardaparques del volcán Turrialba, causando destrozos que pudieron ser mortales. En el análisis se pudo incorporar el concepto de que, en las primeras decenas de metros de recorrido, el fragmento fue arrastrado por la nube de gas y ceniza por lo que se mueve como un proyectil ideal. El resto del recorrido se supuso fue hecho en un régimen Newtoniano con coeficiente de arrastre Cd constante. Ambas etapas estuvieron afectadas por la asimetría del cráter. Bajo estas condiciones se calculó 125 ms-1 y 65° para la velocidad y ángulo de salida, de 83,3 ms-1 y 74,6° para la velocidad y ángulo de llegada, con un tiempo de vuelo 20,3 s (utilizando un Cd = 0,42 asociado a una semiesfera). Al final se incluyen unas recomendaciones generales sobre cómo construir los próximos refugios de manera que se reduzca el riego tanto de los guardaparques como de los visitantes.

Abstract BALLISTICA software, designed by the Author, was used to find a reasonable trajectory for the ballistic bombs and blocks ejected on October 29, 2014 from Turrialba volcano that hit the rangers quarters causing deadly damage, if it would have hit a person. The analysis included the proposal that the fragment was dragged by the ash and gas phase in the initial few hundred meters in its flight. The rest of the trajectory was analyzed as a ballistic path within a Newtonian regime acted with a constant drag coefficient of Cd. Both flight path stages were controlled by the crater asymmetry. It is proposed here an initial velocity and ejection angle of 125 ms-1 and 65° for the respectively, as well as 83,3 ms-1 and 74,6° for the corresponding final velocity and angle. A total flight time of a ballistically ejected clast of 20,3 s, calculated with Cd = 0,42 associated to a half-sphere. At the end, four general recommendations about building procedures were outlined to reduce possible future risk for both rangers and visitors in case of similar ballistic explosive eruption event.

Resumen La literatura vulcanológica internacional cita la actividad eruptiva del Turrialba restringida mayoritariamente a los años 1864-1866. Sin embargo, con base en una reinterpretación de los documentos históricos y el aporte de las dataciones de radiocarbono junto con las secciones estratigráficas, se evidenció que el Turrialba presentó al menos entre 1847 y 1863 un paulatino reactivar con columnas de gases vistas desde la distancia, vegetación quemada, llamas y ruidos. Entre el 17 de agosto de 1864 y con seguridad hasta febrero de 1866, o quizás incluso marzo o mayo de 1866, presentó la fase paroxísmica de erupciones importantes en la que se produjeron lahares y caída de cenizas en el Valle Central y en Puntarenas (125 km). Finalmente, entre junio de 1866 y 1881, la actividad eruptiva fue aparentemente esporádica con intensa actividad exhalativa. El único cráter activo fue el más occidental con dos o tres intrabocas. Los depósitos iniciales fueron freatomagmáticos, pobres en fragmentos juveniles (freatovulcanianos), ricos en clastos muy hidrotermalizados, con un incremento paulatino de los juveniles en el tiempo, presentándose corrientes de densidad piroclástica, alternando con fases estrombolianas. La actividad culmina con una fase estromboliana rica en balística y posiblemente con un chorro oblicuo. El volumen total estimado es de ~0,01 km3. Los componentes juveniles son de composición predominantemente basáltica transición a andesita basáltica (SiO2 50,57-53,20 wt%) con vesículas redondeadas (12-56 % vol.) y una textura hipocristalina porfirítica (30-40 % vol. fenocristales) con fenocristales de labradoritas a bytownita (14-27 % vol., An51-88), augita (~20 % vol., Wo37-46En42-46Fs7-15), variando a miembros más cálcicos (endiópsido, diópsido y salita), olivino (~10 % vol., Fo70-88), en una matriz con microlitos de labradorita (An50-68), olivino (Fo71-75), minerales opacos (magnetita cromífera) y poco ortopiroxeno (<1 % vol.). Sin embargo, se presentan variaciones amplias en el espectro cuando se analizan los vidrios, desde andesitas basálticas, andesitas, traquiandesitas basálticas, traquiandesitas e incluso riolitas. El modelo de fragmentación y transporte secuencial SFT (Sequential Fragmentation-Transport, por su nombre en inglés) fue aplicado en su versión ampliada de Modelo Fractal con un doble propósito: aumentar la información sobre el evento eruptivo que las originó, así como comparar los posibles mecanismos de transporte que se pueden deducir del modelo con aquellos que se obtienen a partir de los análisis tradicionales. Se encontró una buena concordancia con los eventos estrombolianos, aunque fue parcial con los freatomagmáticos.

Abstract The volcanological literature typically states that the eruptive activity at Turrialba was mostly restricted within the period of 1864-1866. However, it appears that a gradual reactivation occurred, with columns of gases seen from afar, burnt vegetation, “flames” and noises. Between the 17th of August 1864 and certainly until February, or even March or May, 1866 there were important eruptions with lahar events and ash fall in the Valle Central and in Puntarenas (125 km). Finally, between June of 1866 and 1881, the eruptive activity was apparently sporadic with intense exhalation activity. The only active crater was the westernmost one with two or three small eruptive vents. The initial deposits were possibly phreatomagmatic, poor in juvenile fragments but rich in hydrothermally altered clasts, with gradual increase in juvenile content with time, and the development of pyroclastic density currents alternating with minor Strombolian phases. The activity culminates with a Strombolian phase being rich in ballistics and possibly with an oblique jet component. The total estimated volume is of ~0,01 km3. The juvenile components are predominantly basaltic transitional to basaltic andesitic (SiO2 50.57 - 53.20 wt%) with rounded vesicles (12 -56% vol.) and a porphyritic hypocrystalline texture (30 - 40% vol. phenocrysts) with labradorites to bytownite (<25% vol., An51-88), augite (~20% vol., Wo37-46-En42-46Fs7-15), varying to calcic members (endiopsid, diopside and salt), olivine (~10% vol., Fo70-88), in a matrix with microliths of labradorite (An50-68), olivine (Fo71-75), opaque minerals (chromite magnetite) and little orthopyroxene (<1% vol.). However, there are a strong variation in the compositional spectrum when glasses are analyzed, from basaltic andesite to andesites, basaltic trachyandesites, trachyandesites, and even rhyolites. The fragmentation and sequential transport model Sequential Fragmentation-Transport (SFT) was applied in its expanded version of the Fractal Model with a double purpose: to increase the information about the eruptive event that originated them, as well as to compare the possible transport mechanisms that may be deduced from the model with those obtained from traditional analyzes. Good concordance has been encountered with strombolian events, although it was partially also with phreatomagmatic ones.

Resumen Entre el 12 y 22 de abril del 2017 el volcán Poás experimentó una nueva fase explosiva con lances de fragmentos balísticos hasta ~2,2 km. En su fase inicial predominaban los bloques no juveniles, producto de la destrucción del cuerpo lávico formado en 1953 y del piso lacustre, seguido por un incremento en fragmentos juveniles (bloques vidriosos con corteza de pan, tortas escoriáceas y, raramente, bombas fusiformes). Las bombas más grandes alcanzaron un diámetro de 20 m por ~1,5 m de grosor lanzadas a unos 200 m del cráter. Los juveniles poseen vesiculación variada (15-50 % vesículas) de composición andesítico basáltica (fenocristales plag 20-22 %, cpx 6-8%, opx 3-5 %, ol 1-3 %, mt 0-1 %) con matriz intersectal. El contenido de juveniles en las cenizas freatomagmáticas incrementó desde aproximadamente un 9 % hasta un 85 % al final, representado por una fase estromboliana. Las bombas al impactar generaron diaclasas de enfriamiento perpendiculares a la superficie y en par conjugado de cizalla. Durante su fase de enfriamiento, las diaclasas se formaron paralelas a la superficie impactada, así establecieron un patrón rectangular relativamente simétrico y conjugado, pero cuando existió una pendiente, el diaclasamiento fue más complejo al deformarse por reptar en estado viscoso. La velocidad inicial de salida de los balísticos se estimó en 100-300 ms-1 (~360-1000 km/h), con una velocidad de llegada de 36-120 ms-1 (~130-430 km/h) y una terminal de 124-250 ms-1 (~445-900 km/h). El tiempo de vuelo, entre lo boca intracratérica en el fondo del cráter Principal y el Mirador, se estima entre 8 y 15 s a distancias entre 0,7 y 2,2 km. Se aportan una serie de recomendaciones para futuros estudios de balística volcánica y un nuevo modo de afrontar el problema físico, mediante las medidas de las bombas y su ángulo de impacto. Se recomienda la construcción de más refugios camino a los miradores del cráter Principal y del cráter Botos.

Abstract From April 12 until April 22 2017 Poás volcano experienced a new explosive phase with ballistic fragments reachingup to ~2,2 km. At its final phase non juvenile bocks predominated, product both of a 1953 lava body destruction and a lacustrinefloor, followed by an increment of juvenile fragments (glassy bread crust blocks, scoriaceous bombs and, rarely, fusiformbombs). The largest ones measured up to 20 m in diameter and 1,5 m in thickness, reaching up to 200 m from the crater. Thejuvenile fragments showed a varied vesiculation (15-50% vesicles) with a basaltic andesitic composition (phenocrysts of plag 20-22%, cpx 6-8%, opx 3-5%, lo 1-3%, mt 0-1%) within an intersertal matrix. The juvenile phreatomagmatic ash content increasedfrom approximated 9% to 85% at the end, consisting of a strombolian activity. When hitting the floor, the bombs generated perpendicularcooling joints and shear stress conjugate pairs. While cooling, the joints were parallel to impact surface generating asymmetric conjugated rectangular pattern. When fallon surfaces with a slope the pattern was more complex due to viscous flow.The ballistic initial velocity was estimated in the 100-300 ms-1 range, the final velocity was estimated in the 36-120 ms-1 range, anda terminal velocity (defined in the text) in the 124-250 ms-1 range. Flight time from bottom of Main crater to the visitor area (Viewpoint) was estimated in the 8-15 secs range. At the end, a set of recommendations for future volcanic ballistic studies is includedbased on a totally new physics model using actual range and impact angle. It is here recommended that more shelters be built onthe path between the active and Botos craters.

Resumen La eyección volcánica de balísticos es reconocida en los mapas de amenazas volcánicas como un área proximal generalmente definida por exploraciones de campo. Sin embargo, la carencia de recursos humanos y técnicos, aunado a deposiciones de ceniza apreciables que hayan cubierto los balísticos eyectados pueden motivar a usar programas de fácil acceso a programas de cómputo, como el caso de EJECT!, para cubrir la información faltante. Sin embargo, el desconocimiento por parte del investigador de un grupo grande de fenómenos físicos que afectan apreciablemente su trayectoria, además del poder usualmente asociado a resultados computacionales, pueden generar una falsa seguridad al aplicar los resultados obtenidos a situaciones reales.

Abstract: Volcanic ballistic ejection is accepted in volcanic hazard maps as a proximal area generally defined by field work. However, lack of human and technical resources, joined to ash depositions that may have covered the ballistics fragments may induce the researcher to apply free software, such as the case of EJECT!, to fill the missing gaps. Unfortunately, lack of knowledge of all the possible physical phenomena which any appreciably affect fragment real trajectories, plus the poweer image usually associated to computational results, may generate a false security when such results are applied to real situations.

Abstract SFT (Sequential fragmentation/transport) method was applied to recent fine tephra of october 2014 to april 2015 eruptions of Turrialba Volcano, to identify transport processes on Wohletz et al. (1989) transport dispersion (g). Results obtained that way do not match field observations. Hence, a new analysis is proposed based on an empirical linear relation between the fragmentation (γ) and transport dispersion (g), was devised. Provitional physical mechanisms are presented to help understand such an empirical lineal relationship.

Resumen Las tefras de las erupciones del volcán Turrialba (octubre 2014 a abril 2015) fueron analizadas por medio del SFT, pudiéndose determinar 5 procesos de transporte, que fueron analizados según los parámetros de Folk; utilizando la dispersión promedio en lugar de la desviación estandard, y . utilizando la dispersión por transporte g, según se describe en Wohletz et al. (1989). Los resultados obtenidos, no concuerdan con observaciones de campo. Como una alternativa, se examinó la dispersión por transporte g en función de la dispersión por fragmentación γ, encontrándose empíricamente que es posible definir la relación lineal Δ = γ - g = m γ + b para cada uno de los 11 procesos de transporte identificados por medio de SFT para los dos Grupos de muestras. Los patrones evidentes entre varios de esos Δ sugieren que el valor de la pendiente m es una medida indirecta de la interacciones entre las partículas involucradas en el proceso de transporte. Esta observación sugiere que los números adimensionales (como el de Savage y el de Reynolds) y sus respectivos valores críticos asociados a las corrientes de densidad piroclástica explicarían la aparición de los diversos tipos de transporte detectados por SFT.

Abstract:The fractal model proposed in Brenes (2013), Brenes & Alvarado (2013), Brenes (2014) y Brenes (2016) is now expanded to include the empirical log-logistical relationship proposed in Connor et al. (2003) for Soufriere volcano, providing it with a theoretical basis. Such a theoretical derivation suggests a thermo-dynamical view of the eruption process.

Resumen:El modelo fractal propuesto en Brenes (2013), Brenes & Alvarado (2013), Brenes (2014) y Brenes (2016) es ampliado para deducir una relación log-logística generalizada que puede dar sustento teórico a la relación loglogística empírica propuesta en Connor et al (2003) para el volcán Soufriere. La deducción presentada permite también una interpretación termodinámica del proceso eruptivo.

Abstract:The most recent eruptive activity of Turrialba volcano began on the 5th of January 2010, after more than a century of dormancy. The fragmentation process and aerodynamic behavior of the ash from Turrialba's vulcanian eruptions were investigated by combining grain-size, petrography, mineralogy, Scanning Electron Microscopy (SEM) anhydrite, gypsum, bassanite, alunite, hexahydrite, pyrite, heulandite, native sulfur), clay minerals (8 - 17 % vol.: montmorillonite, halloysite, allophane), and a smaller quantity of fresh glassy ashes (5 - 49 % vol.) as fragments and shards (3 - 20 % vol. tackylite and 2 - 26 % vol. sideromelane), as well as primary and eroded/recycled phenocrysts (3 - 13 % vol.: 1 - 5% vol. plagioclase, 1 - 7 % vol. pyroxene, 0 - 1 % vol. olivine, 0 - 6 % vol. opaques, cristobalite and tridimite), and xenocrysts (≤ 1 % vol.: riebeckite and biotite). The secondary minerals were sourced from the deeper to surficial hydrothermal system. Textural features identified in ash particles (90 - 350 µm) suggest that they were formed by brittle fragmentation of vesicle-poor magma/water interaction; molten structures seems to be related to the ductile behavior of some fragments, probably due to the high temperature (> 600 °C) of the fumarolic/magmatic system. The percentage of juvenile components was low (1 - 2 % vol.) at the first opening eruptive phase in January 2010, and it increased steadily until the end of 2016 (ca. 12 - 25 % vol.) . The ash eruptions in the Western Crater from 2014 to 2016 were related to one and later two or three simultaneously active vents fed by distinct conduit branches. The alternation of volcanic explosions (VEI: 0 - 2), from closed conduit and the formation of new craters, to open system with phreatomagmatic events, and the repose intervals (inter-eruptive exhalative degassing), were controlled by the rate at which magma ascended and remained in the volcanic edifice. The recent tephra sequence consists of a complex succession of layers generated by contrasting fragmentation and transportation dynamics. They resulted from fully diluted, low temperature (< 300 °C), pyroclastic density currents (wet surge deposits), originated by short-lived, singlepulse, column collapse of phreatomagmatic columns, which traveled short distances (< 1000 m) from the vent area and surmounted topographic obstacles, and simultaneous fallout and ballistic ejecta. The fine material, in continuous suspension within the uppermost part of the convective plume, was dispersed into the atmosphere and finally settled down on the Valle Central. The quiescent phases could be related to a temporal cooling of the magmatic dike system or to a waning of magmatic activity at depth. Sequential fragmentation/transport theory (SFT) was used to decompose grain-size distributions into five different sub-populations. A new way of using the resultant fragmentation coefficient to assign sub-populations to different fragmentation mechanisms, even in cases when modes overlapped, is presented. For the first time the corresponding results are consistent with the phreatomagmatic eruptions, as well as with those derived from ab initio fractal model.

Resumen:La más reciente actividad eruptiva del volcán Turrialba se inició el 5 de enero de 2010, después de más de un siglo de estar dormido. El proceso de formación de cenizas emitidas (i.e., tipo de fragmentación) y el comportamiento aerodinámico de las mismas, se investigaron mediante la combinación de análisis granulométricos, petrografía óptica, análisis mineralógico, microscopía electrónica de barrido (SEM) y sistema de energía dispersiva (EDS). La ceniza estuvo compuesta por porcentajes variables de líticos accidentales, frescos (no necesariamente juveniles) a alterados hidrotermalmente (15 - 50 %), con minerales hidrotermales (1 - 8 % vol.: anhidrita, yeso, bassanita, alunita, hexahidrita, pirita, heulandita, azufre nativo), minerales de arcilla (8 - 17 %: montmorillonita, haloisita, alofana) y una menor cantidad de vidrio fresco (5 - 49 % vol.) como esquirlas y fragmentos (3 - 20% vol. taquilita y 2 - 26 % vol. sideromelana), fenocristales (3 - 13 % vol.), que pueden ser tanto juveniles como accesorios/reciclados (1 - 5 % vol. plagioclasa, 1 - 7 % vol. piroxeno, 0 - 1 % vol. olivino, 0 - 6 % vol. opacos, cristobalita y tridimita), y xenocristales (≤ 1 % vol.: riebeckita y biotita). Los minerales secundarios son el producto de la alteración hidrotermal profunda y de su expresión en el campo de fumarolas superficial. Las características texturales identificadas en partículas de ceniza finas (90 - 350 µm) sugieren que se formaron por la fragmentación debido a la interacción explosiva magma/agua. Las estructuras fundidas parecen estar relacionada con el comportamiento dúctil de las partículas sometidas a altas temperaturas (> 600 ° C) en el sistema de fumarólico/magmático. El porcentaje del componente fresco fue bajo (1 - 2 % vol.) en la apertura del conducto eruptivo del 2010, incrementando paulatinamente hasta el presente (ca. 12 - 25 % vol. en 2013 - 2016). Las erupciones en el cráter Oeste, durante el 2014 al 2016, estuvieron relacionadas con una boca al inicio y después por dos o tres bocas simultáneamente activas. La alternancia de explosiones volcánicas (VEI: 0 - 2), desde conducto cerrado con la formación de nuevos cráteres, hasta un conducto abierto, y los intervalos de reposo (desgasificación exhalativa inter-eruptiva) fue controlado, posiblemente, por la velocidad a la que el magma poco vesiculado ascendió y se mantuvo en el edificio volcánico. Las tefras consisten en una sucesión compleja de capas generadas por corrientes de densidad piroclástica diluidas (principalmente oleadas húmedas), baja temperatura (< 300 ºC), originadas por pulsos simples y cortos, por el colapso de columnas eruptivas freatomagmáticas, que viajaron cortas distancias (< 1000 m) desde las bocas cratéricas, superando obstáculos, ocurridas simultáneamente con depósitos de caída piroclástica y emisión de proyectiles balísticos. El material fino en suspensión, en la parte superior de la columna convectiva, fue dispersado en la atmósfera y se sedimentó sobre el Valle Central. Los períodos de reposo podrían estar relacionados con un enfriamiento temporal del sistema de diques magmáticos o por una disminución de la actividad magmática en profundidad. La teoría de la fragmentación / transporte secuencial fue utilizada para deconvolucionar (desagregar) las granulometrías en 5 subpoblaciones, que fueron luego asociadas a mecanismos de fragmentación. Los casos en que se dio traslape de las modas fueron resueltos con una nueva manera de utilizar el coeficiente de fragmentación. Por primera vez se muestra que los resultados obtenidos, por el método mencionado, concuerdan con lo esperado de la erupciones freatomagmáticas, y con lo derivado a partir del modelo ab initio de fractura fractal.

Abstract:The Sequential Fragmentation/Transport model (SFT) is based on a macroscopic level sequential fragmentation. In Brenes & Alvarado (2013) a fractal model of an eruption is proposed based on SFT, systematizing the process via the inclusion of Hurst Coefficient. Later on, Balankin fractal fracture model is used to include microscopic level fractal fracture processes (Brenes, 2014). In the present work, Landau model for second order transformations is included, and Griffith fracture model and Eötvös rule are deduced, giving rise to by-products mathematical expressions that suggest the existence of fracture processes such as stress corrosion, dilatancy hardening, and vitrification. Lastly, some mathematical results that suggest a glass transition in magma are presented.

Resumen:El modelo Sequential Fragmentation/Transport (SFT, por su sigla en Inglés) se basa en una fragmentación secuencial a nivel macroscópico. En Brenes & Alvarado (2013) dicho modelo sirvió de base para proponer un modelo fractal de una erupción, al sistematizar todo el proceso con la inclusión del coeficiente H de Hurst. Esta sistematización fue posteriormente ampliada en Brenes (2014), con ayuda del modelo fractal de fractura propuesto por Balankin, para incluir procesos de fractura a nivel microscópico. En el presente trabajo, la inclusión del modelo de Landau para transformaciones de segundo orden permite deducir el modelo de fractura de Giffith y la regla de Eötvös, y obtener como sub-producto expresiones que sugieren la existencia de procesos de fractura tales como la corrosión por esfuerzos, endurecimiento por dilatación y la vitrificación. Finalmente, se presentan resultados sugerentes de una transición al vidrio en el magma.

Values for mode and dispersion calculated from SFT application to volcano Fuego 1974 eruption were analyzed with the SFT (Sequential Fragmentation/Transport) model. Analysis results show that the ideas initially proposed for Irazú can also be applied to volcano Fuego. Experimental evidence was found to prove the existence of a tertiary fragmentation process, as suggest itself from Irazú analysis.

Los valores de moda y dispersión obtenidos a partir de la SFT para la erupción del volcán Fuego (Guatemala, 1974) fueron analizados con ayuda del modelo SFT (Sequential Fragmentation/Transport). Los resultados del análisis muestran que las ideas inicialmente desarrolladas para el Irazú, pueden aplicarse también al volcán Fuego. Así mismo, se encontró evidencia experimental que corrobora la existencia de fragmentaciones terciarias (definidas en el texto).

The Sequential Fragmentation Theory (SFT, Brown, 1989) is based on sequential fragmentation at macroscopic level. Fractal model proposed by Brenes & Alvarado (2013), with the help of Hurst coefficient H, includes vesicle coalescence and their degassing, thus systematizing the whole process. In this work Balankin fractal fracture model is added. Volcanic fragmentation process is then explained from the micro to the macro level. The existence of two universal fracture values, already experimentally found, is predicted.

La Teoría de Fragmentación Secuencial (SFT por sus siglas en inglés) se basa en una fragmentación secuencial a nivel macroscópico (Brown, 1989). El modelo fractal propuesto en Brenes & Alvarado (2013), con la ayuda del coeficiente de Hurst H, incluye la coalescencia de vesículas y su eventual exsolución, sistematizando todo el proceso. En el presente trabajo se amplía el modelo para incluir procesos de fractura a nivel microscópico, usando el modelo de fractura fractal propuesto por Balankin (1997). Esta inclusión no solo permite explicar el proceso completo, desde el nivel micro al macro, sino que también predice la existencia de dos valores de fractura, de carácter universal, que previamente se habían encontrado experimentalmente.