Quantitative morphological analysis of ashes from pyroclastic deposits of hydrovolcanic and magmatic origin
Analyse morphologique quantitative des cendres des dépôts pyroclastiques d'origine hydrovolcanique et magmatique
Résumé
Volcanic ash particles from different fragmentation mechanisms have different surface textures and morphologies. Every single ash particle may convey information about its own formation environment and conditions. Certain features may give a hint about the fragmentation regime, the intensity of fragmentation and quantity of water that partakes in the fragmentation process. However, volcanic ash was characterized widely by qualitative set phrases up to date and the success in the discrimination of ash types depended on the experience of the person who dealt with characterization of particles. Furthermore, the complexity and variability of volcanic particle shapes make quantitative characterization difficult and numerical characterization of volcanic ash surface texture, because of its complexity, still remains largely unresolved. Simple and well-defined surface descriptors were presented in this study. It is based on assuming that the gray level variation is related to the roughness variation of the surface. Here, gray level values were used in a form corresponding to vertical z-values on the surface. The disadvantages and advantages of the simplicity of method have been discussed. Seven roughness descriptors (Rq, Ra, Rsk, Rku, Rv, Rp, Rt), three quadtree parameters (nQT, mQT, sQT) and fractal dimensions (FDs) on ash surfaces were measured. A gradient analysis based on Sobel operators was performed and polar plots were generated based on frequency of gradients. Different shape descriptors such as form factor, compactness, roundness, aspect ratio, solidity, convexity and the fractal dimensions (FD_PP) were calculated on polar plots. Samples from five volcanoes with different eruption styles were selected for 2D analysis (Nemrut, Erciyes (Turkey), Galunggung (Indonesia), Villarica (Chile) and Miyakejima (Japan)). However, threedimensional images allow different morphological features to be correctly interpreted and definitively measured. Therefore, optically sectioned particles, stereoscopy and controlled grinding were used to acquire 3D datasets for reconstruction. Surface descriptors were calculated on 3D surfaces of ash particles from Villarica volcano (Chile). The surface descriptors were used to cluster different type of particles according to their fragmentation mechanisms and designated the phase changes in eruptions associated with interacting water/magma ratios. The optimum distinctive surface descriptors were determined with the assistance of correlations between qualitative surface descriptions, vesicularity, xenolith abundance, calculated water/magma mass ratios (R) and quantitative surface descriptors. It is agreed that roughness parameters Ra and Rq are sensible to micro-roughness (eg. fine dust) while other roughness parameters Rsk and Rku measure the macro-roughness associated with cavities on the surface (vesicles). Furthermore, quadtree parameter nQT, fractal dimension of surfaces and solidity of polar plots also have the same response to microroughness similar to Ra and Rq. Because of increasing interest in surface properties of natural materials, surface descriptors proposed in this study can be applied to surfaces of various natural materials.
Les cendres volcaniques issues des différents mécanismes de fragmentation ont diverses textures et morphologies externes. Chaque particule de cendre peut donner des informations sur son propre environnement et sur les mécanismes de formation. On peut définir un régime de fragmentation et la quantité de l'eau qui participe au processus de fragmentation. Actuellement, les cendres volcaniques ont surtout fait l'objet d'approches qualitatives. En effet, la complexité et la variabilité des formes des particules volcaniques rendent l'approche quantitative difficile et la caractérisation numérique des textures de surface des cendres volcaniques, en raison de sa complexité, est encore mal définie. Des descriptions de surface simples et bien définies sont présentées dans cette étude. On se base sur le fait que la variation de niveau de gris est liée à la variation de rugosité de la surface. Ici, des valeurs de niveau de gris ont été employées sous une forme correspondant aux valeurs z vertical sur la surface. Les inconvénients et les avantages de la simplicité de la méthode sont discutés. Sept paramètres de rugosité (Rq, Ra, Rsk, Rku, Rv, Rp, Rt), trois paramètres de quadtree (nQT, mQT, sQT) et dimension de fractale sur des surfaces de cendres sont mesurés. Une analyse de gradient basée sur des opérateurs de Sobel a été exécutée et des parcelles de terrain polaires ont été produites, sur la base de la fréquence des gradients. Différents paramètres de forme, tels que le facteur de forme, la compacité, l'arrondi, l'allongement, la solidité, la convexité et les dimensions de fractale sont calculés sur les parcelles de terrain polaires. Des échantillons provenant de l'activité variée de 5 volcans ont été choisis pour l'analyse 2D : Nemrut, Erciyes (Turquie), Galunggung (Indonésie), Villarica (Chili), Miyakejima (Japon). Cependant, des images tridimensionnelles permettent à différents dispositifs morphologiques d'être mieux interprétés et mesurés. En conséquence, des coupes de particules, la stéréoscopie et le meulage commandé ont été employés pour acquérir une reconstruction 3D. Des paramètres externes sont calculés sur les surfaces 3D des particules des cendres du volcan Villarica. Les paramètres externes sont employés pour regrouper les différents types de particules selon leurs mécanismes de framentation et en particulier pour séparer les changements de styles en cours d'éruptions, liés au rapport eau/magma. Les paramètres de morphologie de surface optima ont été déterminés à l'aide des corrélations entre les paramètres de surfaces qualitatif, la porosité, l'abondance des xénolithes, les rapports de masse eau-magma (R) et des paramètres de surfaces quantitatifs. On admet que Ra et Rq sont des paramètres de rugosité sensibles à la micro-rugosité (par exemple à la poussière fine) tandis que d'autres paramètres de rugosité, Rsk et Rku, mesurent la macro-rugosité liée aux cavités de surface (vésicules). En effet, le paramètre de quadtree nQT, la dimension de fractale des surfaces et la solidité des parcelles de terrain polaires ont aussi la même réponse à la micro-rugosité, semblable à Ra et Rq. En raison de l'intérêt croissant pour les propriétés externes de matériaux normaux, les paramètres des surfaces proposés dans cette étude peuvent être appliqués aux surfaces de divers matériaux normaux