Short-period volcanic gas precursors to phreatic eruptions: Insights from Poás Volcano, Costa Rica

Abstract

Volcanic eruptions involving interaction with water are amongst the most violent and unpredictable geologic phenomena on Earth. Phreatic eruptions are exceptionally difficult to forecast by traditional geophysical techniques. Here we report on short-term precursory variations in gas emissions related to phreatic blasts at Poás volcano, Costa Rica, as measured with an in situ multiple gas analyzer that was deployed at the edge of the erupting lake. Gas emitted from this hyper-acid crater lake approaches magmatic values of SO2/CO21–6 days prior to eruption. The SO2flux derived from magmatic degassing through the lake is measureable by differential optical absorption spectrometry (sporadic campaign measurements), which allows us to constrain lake gas output and input for the major gas species during eruptive and non-eruptive periods. We can further calculate power supply to the hydrothermal system using volatile mass balance and thermodynamics, which indicates that the magmatic heat flux into the shallow hydrothermal system increases from ∼27 MW during quiescence to ∼59 MW during periods of phreatic events. These transient pulses of gas and heat from the deeper magmatic system generate both phreatic eruptions and the observed short-term changes in gas composition, because at high gas flux scrubbing of sulfur by the hydrothermal system is both kinetically and thermodynamically inhibited whereas CO2gas is always essentially inert in hyperacid conditions. Thus, the SO2/CO2of lake emissions approaches magmatic values as gas and power supply to the sub-limnic hydrothermal system increase, vaporizing fluids and priming the hydrothermal system for eruption. Our results suggest that high-frequency real-time gas monitoring could provide useful short-term eruptive precursors at volcanoes prone to phreatic explosions.Las erupciones volcánicas que involucran interacción con el agua se encuentran entre los fenómenos geológicos más violentos e impredecibles de la Tierra. Las erupciones freáticas son excepcionalmente difíciles de pronosticar mediante técnicas geofísicas tradicionales. Aquí informamos sobre variaciones precursoras a corto plazo en las emisiones de gas relacionadas con explosiones freáticas en el volcán Poás , Costa Rica, medidas con un analizador de gases múltiples in situ que se implementó en el borde del lago en erupción. El gas emitido por estelago decráterhiperácido se acerca a los valores magmáticos de SO2/ CO21 a 6 días antes de la erupción. Elflujo deSO2derivado de la desgasificación magmática a través del lago se puede medir por absorción óptica diferencial espectrometría (mediciones de campaña esporádicas), que nos permite restringir la entrada y salida de gas del lago para las principales especies de gas durante períodos eruptivos y no eruptivos. Podemos calcular aún más el suministro de energía al sistema hidrotermal utilizando el balance de masa volátil y la termodinámica, lo que indica que el flujo de calor magmático hacia el sistema hidrotermal poco profundo aumenta de ∼27 MW durante la inactividad a ∼59 MW durante períodos de eventos freáticos. Estos pulsos transitorios de gas y calor del sistema magmático más profundo generan tanto erupciones freáticas como los cambios observados a corto plazo en la composición del gas, porque a un flujo de gas alto, el lavado de azufre por parte del sistema hidrotermal se inhibe tanto cinética como termodinámicamente, mientras que el CO 2el gas es siempre esencialmente inerte en condiciones de hiperacidez. Por lo tanto, el SO 2 / CO 2 de las emisiones del lago se acerca a valores magmáticos a medida que aumenta el suministro de gas y energía al sistema hidrotermal sublimnico, vaporizando los fluidos y preparando el sistema hidrotermal para la erupción. Nuestros resultados sugieren que el monitoreo de gas en tiempo real de alta frecuencia podría proporcionar precursores eruptivos útiles a corto plazo en volcanes propensos a explosiones freáticas.