Turmoil at Turrialba Volcano (Costa Rica): Degassing and eruptive processes inferred from high-frequency gas monitoring

Abstract

Eruptive activity at Turrialba Volcano (Costa Rica) has escalated significantly since 2014, causing airport and school closures in the capital city of San José. Whether or not new magma is involved in the current unrest seems probable but remains a matter of debate as ash deposits are dominated by hydrothermal material. Here we use high‐frequency gas monitoring to track the behavior of the volcano between 2014 and 2015 and to decipher magmatic versus hydrothermal contributions to the eruptions. Pulses of deeply derived CO2‐rich gas (CO2/Stotal > 4.5) precede explosive activity, providing a clear precursor to eruptive periods that occurs up to 2 weeks before eruptions, which are accompanied by shallowly derived sulfur‐rich magmatic gas emissions. Degassing modeling suggests that the deep magmatic reservoir is ~8–10 km deep, whereas the shallow magmatic gas source is at ~3–5 km. Two cycles of degassing and eruption are observed, each attributed to pulses of magma ascending through the deep reservoir to shallow crustal levels. The magmatic degassing signals were overprinted by a fluid contribution from the shallow hydrothermal system, modifying the gas compositions, contributing volatiles to the emissions, and reflecting complex processes of scrubbing, displacement, and volatilization. H2S/SO2 varies over 2 orders of magnitude through the monitoring period and demonstrates that the first eruptive episode involved hydrothermal gases, whereas the second did not. Massive degassing (>3000 T/d SO2 and H2S/SO2 > 1) followed, suggesting boiling off of the hydrothermal system. The gas emissions show a remarkable shift to purely magmatic composition (H2S/SO2 < 0.05) during the second eruptive period, reflecting the depletion of the hydrothermal system or the establishment of high‐temperature conduits bypassing remnant hydrothermal reservoirs, and the transition from phreatic to phreatomagmatic eruptive activity.La actividad eruptiva en el Volcán Turrialba (Costa Rica) ha aumentado significativamente desde 2014, provocando cierres de aeropuertos y escuelas en la ciudad capital de San José. Parece probable que haya nuevo magma o no involucrado en los disturbios actuales, pero sigue siendo un tema de debate, ya que los depósitos de cenizas están dominados por material hidrotermal. Aquí usamos el monitoreo de gas de alta frecuencia para rastrear el comportamiento del volcán entre 2014 y 2015 y para descifrar las contribuciones magmáticas versus hidrotermales a las erupciones. Los pulsos de gas rico en CO2 de origen profundo (CO2 / Stotal> 4.5) preceden a la actividad explosiva, proporcionando un claro precursor de los períodos eruptivos que ocurren hasta 2 semanas antes de las erupciones, que se acompañan de emisiones de gas magmático rico en azufre de origen superficial. El modelo de desgasificación sugiere que el reservorio magmático profundo tiene ~ 8-10 km de profundidad, mientras que la fuente de gas magmático poco profundo está a ~ 3-5 km. Se observan dos ciclos de desgasificación y erupción, cada uno atribuido a pulsos de magma que ascienden a través del depósito profundo hasta niveles corticales poco profundos. Las señales de desgasificación magmática fueron sobreimpresas por una contribución de fluido del sistema hidrotermal poco profundo, modificando las composiciones de gas, contribuyendo volátiles a las emisiones y reflejando procesos complejos de depuración, desplazamiento y volatilización. El H2S / SO2 varía en 2 órdenes de magnitud durante el período de monitoreo y demuestra que el primer episodio eruptivo involucró gases hidrotermales, mientras que el segundo no lo hizo. Siguió una desgasificación masiva (> 3000 T / d de SO2 y H2S / SO2> 1), lo que sugiere la ebullición del sistema hidrotermal. Las emisiones de gas muestran un cambio notable a una composición puramente magmática (H2S / SO2 <0.05) durante el segundo período eruptivo, lo que refleja el agotamiento del sistema hidrotermal o el establecimiento de conductos de alta temperatura que eluden los reservorios hidrotermales remanentes, y la transición de freático a Actividad eruptiva freatomagmática.A atividade eruptiva no vulcão Turrialba (Costa Rica) aumentou significativamente desde 2014, causando o fechamento de aeroportos e escolas na capital, San José. Se o novo magma está ou não envolvido na agitação atual parece provável, mas permanece uma questão de debate, pois os depósitos de cinzas são dominados por material hidrotérmico. Aqui, usamos o monitoramento de gás de alta frequência para rastrear o comportamento do vulcão entre 2014 e 2015 e para decifrar as contribuições magmáticas e hidrotérmicas para as erupções. Pulsos de gás rico em CO2 derivado profundamente (CO2 / Stotal> 4,5) precedem a atividade explosiva, fornecendo um precursor claro para períodos eruptivos que ocorrem até 2 semanas antes das erupções, que são acompanhados por emissões de gás magmático rico em enxofre derivado superficialmente. A modelagem de desgaseificação sugere que o reservatório magmático profundo tem cerca de 8 a 10 km de profundidade, enquanto a fonte de gás magmática rasa está a cerca de 3 a 5 km. Dois ciclos de desgaseificação e erupção são observados, cada um atribuído a pulsos de magma ascendendo através do reservatório profundo para níveis crustais rasos. Os sinais de desgaseificação magmáticos foram impressos por uma contribuição de fluido do sistema hidrotérmico raso, modificando as composições de gás, contribuindo com voláteis para as emissões e refletindo processos complexos de depuração, deslocamento e volatilização. H2S / SO2 varia em 2 ordens de magnitude ao longo do período de monitoramento e demonstra que o primeiro episódio eruptivo envolveu gases hidrotérmicos, enquanto o segundo não. Desgaseificação maciça (> 3000 T / d SO2 e H2S / SO2> 1) seguido, sugerindo ebulição do sistema hidrotérmico. As emissões de gás mostram uma mudança notável para a composição puramente magmática (H2S / SO2 <0,05) durante o segundo período eruptivo, refletindo o esgotamento do sistema hidrotérmico ou o estabelecimento de condutos de alta temperatura contornando os reservatórios hidrotérmicos remanescentes e a transição de freático para atividade eruptiva freatomagmática.