Class Notes (837,696)
United States (325,164)
Geology (57)
GEOL 118 (54)
All (12)
Lecture 17

GEOL 118 Lecture Notes Lec17 Onwards

31 Pages
Unlock Document

GEOL 118
All Professors

Natural Disasters (Exam 2) 03/04/2013 Lecture #14 ­ Principles of Volcanoes I Vulcan = Roman god of forge (fire). Volcanoes erupt hot, glowing, molten rock (sometimes explosively). What is a volcano? ­ Volcano ­ mountain formed by erupted lava or pyroclastic debris  (pieces of solid rock) or both. Rock = extrusive (volcanic) igneous rock. Molten rock solidifies by  rapid cooling, therefore, fine grain size or amorphous glass (no crystals) is produced (mineral crystals need  time to grow in size). Composition of volcanic rock can vary  Composition  Volcanic Rock Name  Silicic (rich in SiO2)  Rhyolite (link #2)  Intermediate  Andesite (link #2)  Mafic (rich in Mg + Fe, low in SiO2)  Basalt (link #2) Where do volcanoes occur? Most (80%) of world's active volcanoes are located around margin of Pacific  Ocean ("Ring of Fire", map), especially New Zealand, Japan, Alaska, Mexico, Indonesia, Central America,  Philippines, + Chile. In USA, Alaska, Hawaii, northwest USA (Washington, Oregon, + California).  Volcanoes, like EQ's, are concentrated at tectonic plate boundaries, but mainly divergent +  convergent (not transform). Nature of volcanic eruptions Volcanoes that erupt explosively can be extremely hazardous, but lava flows  are much less hazardous. Qualitative scale to describe explosiveness of eruption = volcanic explosivity  index (link #2), values range from 0 (gentle effusion, i.e., small flow) to 8 (cataclysmic). Explosivity is  characterized based on volume of ejected rock, height of eruption column, + duration of eruption. Mount St.  Helens eruption of 1980 was 4. What causes explosive vs. non­explosive eruptions? To get an explosive eruption, you need highly  viscous (i.e., stiff or thick) magma (one that resists flow) with lots of gas (mainly water vapor).  Presence of gas is driving force for explosion. Gas expands (boils away) as magma reaches surface,  causing explosion. Silica­rich magma – high viscosity, explosive eruption, slower flow Mafic­rich magma – low viscosity, non­explosive, faster flow Volcanoes and Plate Tectonics  Eruptive Style  Erupted Product  Non­explosive  Basalt lava flows (+ lava fountains, if gas pressure builds up)  Explosive  Andesite + rhyolite  ash fal l ­ large plume of fine­grained volcanic glass, which settles from air like dust or snow  Eruptive Style  Tectonic Setting  Non­explosive  Divergent boundary (oceanic ridge) and intraplate (hot spot) ­ localized zones of upwelling mantle  Explosive  Convergent boundary ­ subduction zones (oceanic lithosphere sinking into mantle) Lecture #15 ­ Case Studies of Volcanoes I Submarine Volcanism ­ Most lava eruptions occur under ocean (where tectonic  plates move apart), where there is very fast cooling + formation of spherical  shapes called pillow basalt black smokers = very hot, undersea geysers, produced when seawater descends through cracks in  oceanic crust, gets superheated + then rises to produce jet­stream of extremely hot water; black color from  iron sulfide minerals. I) Shield volcanoes (non­explosive eruption of basalt lava flow) ­ Most famous examples = Hawaiian  volcanoes (link #2). Intraplate ("hot spot") type of volcano. Chain of islands that extends to Emperor islands,  all formed by basalt lava flows. Hawaii = largest mountain in world. Characteristics of Shield volcanoes: • Broad, shield­like profile • Formed by eruption of low­viscosity lava • Lava low in silica • Non­explosive erupting • Hawaii islands ­ Kilauea Kilauea  = one of most thoroughly studied volcanoes because extremely active, many US volcanologists, +  almost always quiet outpourings of lava that can be destructive (e.g., Kalapana Gardens), but not lethal.  Photo sequence of lava covering Kalapana Gardens in 1990 ­ April, May, June. Photo sequence of lava  covering Walter's Kalapana Store and Drive Inn in 1990 ­ April, June 6, June 13. Other Features of shield volcanoes =  lava fountain (geyser due to build­up of gas pressure)  fissure eruption (long crack that forms away from central crater  lava tube (underground river of lava, allows lava to travel much greater distances before cooling;  eventually they can empty + be underground cavity)  pahoehoe lava flow (smooth, ropey surface due to low viscosity from high temperature + high gas  content);  aa lava flow (very rough, jagged surface due to higher viscosity from lower temperature + lower gas  content; moves very slowly) can get both pahoehoe + aa lavas in single flow. How? ­It is common to get both pahoehoe and `a`a flows from the same eruption with no difference in chemical  composition, showing that what causes pahoehoe or `a`a to form is largely related to the physical  conditions the lava undergoes once erupted. ­Often what starts out as a pahoehoe flow may go through the transition to `a`a when there is a change in  conditions, such as a sudden steepening in slope, or just by the continuous loss of heat and gas as  distance from the vent increases. II) Composite (strato) volcano (explosive eruptions of volcanic ash, ashfall eruptions) MORE  COMMON THAN SHIELD VOLCANOES Characteristics of Stratovolcanoes: • tall conical mountains composed of lava flows and other ejecta in alternate  layers • high viscosity lava, high in silica, cools and hardens before travelling far • Krakatoa, Mt. Vesuvius, Mt. St. Helens A) Mt. Vesuvius ­active volcano next to Naples, Italy (densely populated city of ~2 million). ­Subduction zone volcano. In 79 AD famous eruption buried ancient Roman city of Pompeii.  Important for historians because instantaneous burial + preservation of typical Roman city. Ashfall also  killed many people. During late 1700's archeologists discovered Pompeii, began to excavate it, + found  holes in volcanic ash. They filled holes with plaster + found shapes of bodies of people. Vesuvius = possible  major disaster to Naples area in future. Phlegrean Fields another volcanic hazard just west of Naples! Lecture #16 ­ Case Studies of Volcanoes II II) Composite (strato) volcano (continued) B) Mt. St. Helens (MSH) one of many volcanoes in Cascade Mountains (northern CA through southern  British Columbia). MSH is in SW Washington. ­Subduction zone volcano (plate tectonic setting).  Major eruption on May 18, 1980. Before 1980, it was symmetrical, after eruption large part of mountain  exploded away. Sequence of Events  1) Pre ­ 5/18/80 (~50 days) Gas­charged silicic magma filled area below volcano causing ground to swell  ~300 ft. Geologists warned of possible explosive eruption. 2) 5/18/80 Two strong earthquakes (from magma moving) caused largest landslide in recorded history.  Landslide quickly released pressure on magma + caused upwardly directed explosion and laterally directed  explosion of volcanic ash. Enormous force knocked over trees for large distances. Ash blown 10 miles  upward (photo) and darkened skies as far away as western Montana (ash carried by jet stream to eastern  USA). Ashfall was mainly nuisance. 3) 5/18/80 Hot ash melted snow to produce enormous lahar (mudflow), which created flooding. 63 people  were killed, including one geologist (David Johnston). Many more deaths without warnings from geologists. III) Other explosively erupting volcanoes (generally subduction zone volcanoes) Cinder cone ­ consists entirely of pyroclastic debris of all shapes and sizes (no lava flows). Small,  symmetrical cones + usually with ~short lifespans. Characteristics of cinder cone volcanoes: ­ found on the flanks of shield, stratovolcanoes, and calderas ­ steep conical hill of tephra (volcanic debris) Lava dome ­ bulbous mass of extremely viscous lava that accumulates around vent, which can get  plugged; potential for extremely explosive eruption Characteristics of lava dome: ­resulting from the slow extrusion of viscous lava ­high viscosity: high levels of silica in the magma, or by degassing of fluid  magma ­forms when high viscosity lava doesn’t flow far from the vent from which it  extrudes, creating a dome­like shape of sticky lava that then cools slowly in situ ­if it collapses, creates pyroclastic flows (lethal) Caldera ­ rare, but extremely violent eruption that produces huge crater (10's of km wide); largest volcano  explosivity indices (VEI > 6). Calderas commonly begin as composite cone, then enormous eruption blows  away top part of volcano. Magma chamber empties, leaving large underground cavity and ground over it  collapses, e.g., Crater Lake in Oregon and Long Valley, CA  Characteristics of Calderas: ­formed by the collapse of land following a volcanic eruption ­triggered by the emptying of the magma chamber beneath the volcano ­if magma is high in silica, gas pressure builds causing explosion of ash and a’a  lava flow (Krakatoa) ­if magma is high in basalt, less viscous, magma chamber drains by large lava  flows (Kilauea, shield volcanoes – Hawaii) ­if Yellowstone has a caldera­forming eruption, super volcano will be catastrophic Examples of caldera­forming eruptions include: ­Krakatau in SW Pacific (in 1883 it created crater that extended 300 m below sea level and produced giant  tsunami that killed >30,000 people) ­Mount Mazama in SW Oregon (~6,800 years ago it created Crater Lake) ­Santorini in Greece (1600 BC) which destroyed Late Minoan civilization (lost city of Atlantis?) ­Yellowstone ­ 3 large caldera­forming eruptions over past 2 million years (1.9, 1.3, + 0.6 million years ago)  with 600,000 year recurrence, eruptions were ~1000 times larger than Mount St. Helens, continues to show  signs of activity with hot springs and geysers, but difficult to predict future catastrophic eruption; on­going  threat of catastrophic eruption of Yellowstone was theme of 2005 movie Supervolcano a fictional  "docudrama" that depicts the worst case scenario of another caldera­forming eruption at Yellowstone. Lecture #17 –Volcanoes IV ­ Benefits and Hazards Benefits of Volcanoes and Volcanic Eruptions A) Erupted rock  ­pumice (highly porous volcanic rock) used in various products (skin care, Lava brand soap, dentist's  polish, + pencil eraser) ­obsidian (glassy volcanic rock) used as decorative stone, cinders used in construction, + volcanic ash  can provide fertile soil.  ­Creation of new land ­ underwater lava flows just east of Hawaii (youngest volcano in Hawaiian  chain, Loihi seamount) + Heimaey, Iceland. B) Geothermal energy ­ heat from shallow magma used to generate electricity.  ­Need underground water to circulate + transfer heat to surface as hot water + steam, which drive  turbines.  World's largest geothermal plant = The Geysers, central California. C) Tourism ­ National parks + national monuments D) Metallic ore deposits ­ many kinds of metallic ore deposits are in roots of old volcanoes. Hazards of Volcanoes + Volcanic Eruptions A) Lava flows ­ usually non­lethal but can cause considerable damage. Lava flow will burn or bury  everything in its path until it stops.  B) Explosion + ashfall ­ explosive eruption of plume of volcanic ash (small, abrasive pieces of rock)  can cause crop damage, livestock deaths, structural failure,  ­airplane engine failure (planes flying through ash plume ­breathing problems Where are volcanic hazards in USA? C) Explosion + ashflow ­ explosive eruption of magma too viscous to be sent vertically, creates  turbulent mixture of superheated gas + pyroclastic debris (nuee ardente = "glowing cloud") that flows down  mountain­side with great speed (up to 150 km/hr). Ashflows can cause enormous destruction, common  during caldera­forming eruptions. Example = Mt. Pelée eruption in 1902 on Caribbean island of Martinique destroyed city of St. Pierre,  killing ~28,000 people in ~30 seconds  Same area has been resettled. Mt. Saint Helens 1980 eruption had small ashflow. (D) Lahar ­ (mudflow) mixture of water + volcanic debris that flows downslope following river valleys.  Water is from snow + ice on mountain slope (large composite cone at high elevations or in polar regions,  Nevado del Ruiz, Columbia), or from eruption itself, or from rainfall. Lahars can move quickly or slowly,  depending on amount of water. Fast lahars can be lethal (lahar from Nevada del Ruiz volcanic eruption in  Columbia, South America in 1985 killed 25,000, + slow moving lahars can be very destructive (moving mud  has great weight + force). Mt. Saint Helens 1980 eruption had major lahar (E) Tsunami ­ volcanic eruptions rarely create tsunamis, most formed in SW Pacific (around Indonesia).  Krakatoa eruption (between Java + Sumatra) created very large (35 m high) tsunami, which killed 36,000. (F) Effect on climate ­ large, explosive ashfall eruptions can cause global cooling of up to several  degrees for 1 ­ 2 years after eruption. Climate change can cause crop failure + famine, e.g., Tambora, 1815  caused "Year without a Summer". Cooling is due to SO2 gas­coated airborne volcanic ash, which reflects  sunlight. (G) Gases ­ water is major gas released in volcanic eruptions, also can get other more harmful gases  (e.g., CO2, CO, SO2, H2S, H2SO4, HCl, HF) released. Sulfur­bearing gases can oxidize to sulfuric acid +  be highly corrosive. In 1986 in Cameroon (central Africa), 1,700 died overnight due to volcano­derived CO2  gas that was released quickly from Lake Nyos (crater lake on top of dormant volcano). People died of  asphyxiation (O2 deprivation) when cloud of dense CO2 gas came rolling down hillside. CO2 gas from  magma below seeped upward + dissolved in lake waters. Gas was kept in solution by pressure of overlying  water column. Something happened to overturn water (natural overturn, submarine landslide, underwater  eruption, or EQ) + huge amount of CO2 gas (80 million m3) was released, creating large waves when it  broke water surface. Relatively heavy gas moved downslope + displaced O2 in low areas; very rare. Predicting volcanic eruptions  ­involves monitoring precursors (ground swelling, underground temperature, EQ activity,  + composition of volcanic gases); some success (e.g., Mount Pinatubo in 1991), but much more  progress is necessary. Mitigation ­for explosive eruptions there is only one alternative ­ EVACUATE ­for non­explosive eruptions = diversion using quickly built piles of earth + rubble (e.g., Mount Etna +  Heimaey, Iceland), chilling with water (e.g., Heimaey, Iceland), + bombing (e.g., Mount Etna). ­Includes all the steps we discussed early in course, e.g. mapping and zoning and disaster preparation Lecture #18 Mass Wasting/Landslides ­ Types + Processes Mass wasting (= slope failure = landslide)  ­downslope movement of rock + sediment that occurs at Earth's surface in response to gravity; variable  speeds  ­extremely fast to extremely slow ­shapes our landscape (with river erosion). Why hasn't gravity completely flattened Earth's landscape since  it formed? • Plate tectonics rejuvenate landscape (collisions create mountains, etc.) • Slow movement – property damage • Rapid movement – damage and deaths ~ $1 billion PROBLEM = slow movement induces property damage + rapid movement induces damage + deaths  (annual damage from landslides in USA = >$1 billion; 25 ­ 50 deaths per year in USA and thousands of  deaths per year world­wide from landslides). Where is landslide problem worst in USA? Why in these areas? • Eastern USA – Appalachians • Western USA – Rocky Mountains • West Coast – small mountains and coastal erosion by Pacific Ocean Where is landslide problem worst in Illinois? • Western, IL – Mississippi River Valley • Northern­Central – Illinois River Valley Landslides can be greatly influenced by human activities (often making problem worse). I) Landslide Classification ­ numerous systems + none accepted by all. Most landslide classification  systems are based on  ­type of downslope movement ­speed of movement (fast ­ slow) ­earth material involved (rock vs. soil) ­amount of water. (A) Type of downslope movement (1) Flow ­ turbulent movement of sediment, i.e., individual grains are mixed around during movement. (2) Slide/slip ­ earth material moves as coherent block in contact with slope. (3) Fall ­ earth material moves as free fall (out of contact with slope). In contrast, movement occurs along  free face in flows + slides.   II) Landslide Types (some of most important + common ones) (A) Flows ­ Speed ranges from imperceptibly slow (creep) to extremely fast (avalanche). Creep is very  slow (few mm per year), continuous downslope movement of rock or sediment. Process involves outward  expansion of earth + downward contraction of earth. ­Expands outwards, contracts downwards  Why would earth/soil expand outward? ­Swelling clay, expands wet/frozen, contracts dry/thawed Too slow to see actual movement, but can see effects of movement Avalanche = fast­moving (>15 km/hr), dense mixture of rock (rock avalanche), sand, mud, + water  (debris avalanche). In 1970 (M = 7.7) EQ­triggered debris avalanche (thousands of tons of rock) in Andes  Mountains (Nevados Huascaran) moved at >300 km/hr + killed 20,000 people in Yungay, Peru. Similar  event occurred in 1962, killing 4,000 people  Area is currently repopulated + hazardous conditions continue. Mudflows = intermediate speed landslide consisting mainly of mud. Example = Lahar from Nevado del  Ruiz volcano killed 22,000 in Armero, Columbia (B) Complex –  Slumps/rotational slide/earthflow have combinations of different characteristics. Upslope portion moves  as coherent mass (i.e., slide) + produces cliff. Downslope portion flows + has rolling surface. Failure  surface is curved in cross­section + spoon­shaped in map view. Slumps are most common type  of landslide + can be small (few meters wide) or huge (hundreds of meters to kilometers). Landslide hazard maps ­ show landslide deposits, risk of future landslides, + recommended land use  Lecture #19 Landslides ­ Slope Stability To understand why landslides occur, need to consider balance between forces involved:  ­driving forces = downslope weight of slope material (from gravity) that pulls it downward ­resisting forces ­ shear strength (amount of sideward directed force needed to cause failure) that  holds slope in place. Evaulate slope stability by calculating safety factor (SF): SF = Resisting Forces/Driving Forces (R/D) If SF > 1 then R > D + slope is stable. Most building codes require SF > 1.5. Driving force (weight directed downslope) is easily  calculated using simple trigonometry. Shear strength can be measured in lab. Examples of balance of  forces for 2 slides (one with potential failure surface that is planar + one with potential failure surface that is  curved).   Planar failure surface = translational slide (common for bedrock).  Curved failure surface = rotational slide (common for soil) Rotational slide is self­ stabilizing; resisting mass will quickly >, stopping landslide. Shear strength (resisting force) depends on two physical properties: cohesion (ability of particles to stick  together due to electrostatic forces; clay vs. dry sand?) + friction (resistance to motion between grains,  related to grain size + shape, sand vs. clay). What factors lead to slope stability or instability? Controls on slope stability/instability (A) Slope weight ­ instability can result from either natural processes or human­induced processes that  add "driving mass" to slope (dirt, house, water, vegetation) or remove "resisting mass" or support (erosion  of sea cliff by waves, new housing development (B) Slope angle ­ > slope angle = less stable slope. Slope angle can change from human intervention  (e.g., development regrades slopes for buildings or roads) or from natural processes (fault cliffs). (C) Geologic material ­ earth materials with low shear strength are susceptible to failure. Sediment is  generally weaker than rock + clay is typically very weak (e.g., swelling clay). Weak rocks include shale or  other rocks with prominent plane of weakness, e.g., foliated metamorphic rocks, sedimentary layering,  jointing (fractures) in any rocks. Orientation of weakness plane is critical.    If weakness plane is parallel to slope direction, slope is susceptible to failure. Example of quick clay = non­swelling clay minerals that were deposited in ocean environment that caused  flat clay plates to accumulate into "house of cards" structure (up to 90% water/10% solid). While saltwater is  present, clays have some strength, but if fresh water enters system, strength < weight (driving force) by filling pore space (up to  30% of soil volume). Water could be from natural rainstorm or human intervention (lawn watering, septic  tanks). Heavy rains in California commonly produce landslides. Water in pore space also affects shear  strength by producing pore water pressure. Water­filled pore space creates high pore water pressure (water  supports overlying weight), which decreases grain to grain friction + shear strength. Partly filled pore space  can actually strengthen soil; creates negative pore water pressure. (E) Vegetation ­ plant roots > soil cohesion (+ therefore > shear strength), making slope more stable.  Plants also act as umbrella, shielding soil from erosive impact of rain (> slope stability), but they also add  weight ( resisting force (strengthening rock/soil) or both. (A) Water drainage ­ don't allow water to build up within slope ( shear strength); install  horizontal plastic pipes that drain water from within slope (photo), surface drains, or impermeable seals on  top of slope (prevent infiltration). (B) Proper grading of slope ­ remove material from top of landslide ( resisting force). Can also create benches (small steps in slope) to prevent large  landslides. (C) Retaining walls ­ steel­reinforced concrete wall at vertical face to strengthen slope (> resisting  force); need holes in wall for drainage; wire mesh fencing (photo) or sprayed concrete (shotcrete). For steep  bedrock slopes and tunnels in bedrock, bolts can be installed to strengthen rock. (D) Regrowing vegetation ­ roots bind soil and canopy protects soil from impact by raindrops. Case Histories Portuguese Bend, CA ­ hillside community (~200 houses) that overlooks Pacific Ocean, ~ 40 km  south of Los Angeles. From 1956 ­ 1986, area (and most houses) experienced steady downslope  movement (~200 m of total movement, averaging 0.3 ­ 2.5 cm per day!). Many houses had to be  abandoned, others are still occupied, but only with constant maintenance (hydraulic jacks to keep houses  and garages level). Combination of hazardous local geology and negative impact of development. Local bedrock = weak rock  (shale and siltstone) with bentonite (swelling clay). Also, layering is ~parallel to slope and waves undercut  slope at sea cliff ( slope weight and < driving force). Result was continuous downslope movement of large block  (sliding movement). Homeowners successfully sued LA County for adding fill dirt. Movement was < 100 meters ­ several kilometers) results in compaction of sediment due  to removal of buoyant support provided by fluid (
More Less

Related notes for GEOL 118

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.