Analytical solution of CO2 mass flux measurement with Non-Dispersive Infrared sensors for soil in diffusive and advective-diffusive regime: Tool for the continuous and telemetric measurement of volcanic gases in an open chamber

Palabras clave: Monitoreo volcánico, diagnóstico de la actividad volcánica, sistema embebido, flujo de CO2

Resumen

La medición del flujo de dióxido de carbono (CO2) en un ambiente volcánico es una necesidad para el monitoreo volcánico. El flujo de CO2 se debe medir de manera continua y telemétrica para una mejor comprensión, casi en tiempo real, de la dinámica de los procesos de desgasificación volcánica, que contribuyan a la construcción de un modelo de comportamiento volcánico, junto con otras técnicas de monitoreo. Este documento presenta dos soluciones analíticas, la primera es una solución difusa simple y la segunda es la solución advectiva-difusiva, que implementan un arreglo de sensores NDIR (emisor de infrarrojo no dispersivo) en una cámara abierta (chimenea de difusión) y una cámara de intercambio (intercambiador de gases). El primer sistema, a pesar de ser básico (con valores reflejados en la pendiente de una línea de ecuación), y para el que la velocidad del gas es despreciable, permite introducir a expertos en este campo en los cálculos de flujo de este tipo con un solo sensor NDIR. Para el segundo siste­ma, donde la velocidad del gas es parte de la ecuación, se requiere otra solución matemática y tres puntos de medida, que exige la inclusión de un segundo sensor NDIR para la correcta solución matemática del sistema de ecuaciones. Un sistema embebido puede automatizar el método por calibración mediante el control de un ventilador de agitación, que registre la temperatura, la presión y la medición del flujo en suelos volcánicos en la superficie. Este método propuesto teóricamente necesita ser probado, por tanto se esperan aportes experimentales para validar la medida de flujo de CO2 como una herramienta poderosa para el monitoreo volcánico.

Biografía del autor/a

Nicolás Oliveras, Consultant, Popayán, Colombia

Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones, especialista en Informática Industrial de la Universidad del Cauca, Colombia, con más de 20 años de experiencia profesional. Trabaja en el Servicio Geológico Colombiano, sede Popayán, en el Grupo de electrónica, con un enfoque hacia la adquisición en tiempo real de datos geofísicos y geoquímicos, junto con gestión metrológica. Se ha enfocado en el desarrollo de soluciones basadas en innovación tecnológica, desde su fase de conceptualización físico-matemática, pasando por el diseño de su arquitectura y hasta el desarrollo e implementación de diferentes sistemas hardware y software para aplicaciones como el diseño de redes de datos telemétricos con propósitos científicos, diseño de sistemas de protección y eléctricos para energía solar y aplicaciones de sistemas de alerta temprana por flujos de lodo volcánico, entre otros. Desde el 2000 trabaja en su empresa Schüler Weage E.I., en el diseño de software e instrumentación robusta para monitoreo geocientífico de volcanes, mediante la adquisición y el procesamiento en tiempo real de datos sísmicos, geofísicos y geoquímicos en volcanes activos en Latinoamérica.

Referencias bibliográficas

Allard P., Carbonnelle J., Dajlevic D., Le Bronec J., Morel P., Robe M. C., Maurenas J. M., Faivre-Pierret R., Martin D., Sabroux J. C., & Zettwoog P. (1991). Eruptive and diffuse emission of CO2 from Mount Etna. Nature, 351, 387-391. https://doi.org/10.1038/351387a0

Badalamenti, B., Gurrieri, S., Hauser, S., & and Valenza, M. (1988). Ground CO2 output in the island of Vulcano during the period 1984-1988: Gas hazard and volcanic activity surveillance implications. Rend. Società Italiana di Mineralogia e Petrologia, 43, 893-899.

Baubron, J. C., Allard, P., & Toutain, J. P. (1990). Diffuse volcanic emissions of carbon dioxide from Vulcano island, Italy. Nature, 344, 51-53. https://doi.org/10.1038/344051a0

Badalamenti, B., Gurrieri, S., Nuccio, P. M., & Valenza, M. (1991). Gas hazard on Vulcano Island. Nature, 350, 26-27.

Bekku, Y., Koizumi, H., Nakadai, T., & Iwaki, H. (1955). Measurement of soil respiration using close chamber method: An IRGA technique. Ecological Research, 10(3), 369-373. https://doi.org/10.1007/BF02347863

Busquets D. (2011). Difusión: 2° ley de Fick. Universidad Politécnica de Valencia. www.youtube.com/watch?=HHBvZDNvTic

Camarda, M., De Gregorio, S., Favara, R., & Gurrieri, S. (2007). Evaluation of carbon isotope fractionation of soil CO2 under an advective–diffusive regimen: A tool for computing the isotopic composition of unfractionated deep source. Geochimica et Cosmochimica Acta, 71(12), 3016-3027. https://doi.org/10.1016/j.gca.2007.04.002

Camarda, M., Gurrieri, S., & Valenza, M. (2006). CO2 flux measurements in volcanic areas using the dynamic concentration method: Influence of soil permeability. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 111(B5), B05202. https://doi.org/10.1029/2005JB003898

Campbell, G. S. (1985). Soil physics with basic transport models for soil-plant systems. Elsevier.

Callister W. D. (1995). Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los materiales. Reverte.

Cardellini, C., Chiodini, G., & Frondini, F. (2003). Application of stochastic simulation to CO2 flux from soil: Mapping and quantification of gas release. Journal of Geophysical Research. Solid Earth, 108(B9), 2425.

Chiodini, G., & Frondini, F. (2001). Carbon dioxide degassing from the Albani Hills volcanic region, Central Italy. Chemical Geology, 177(1-2), 67-83. https://doi.org/10.1016/S0009-2541(00)00382-X

Chiodini, G., Cioni, R., Guidi, M., Raco, B., & Marini, L. (1998). Soil CO2 flux measurements in volcanic and geothermal areas. Applied Geochemistry, 13(5), 543-552. https://doi.org/10.1016/S0883-2927(97)00076-0

Ciotoli, G., Guerra, M., Lombardi, S., & Vittori, E. (1998). Soil gas survey for tracing seismogenic faults: A case-study in the Fucino basin (central Italy). Journal of Geophysical Research, 103(B10), 23 781-23 794. https://doi.org/10.1029/98JB01553

Ciotoli, G., Della Seta, M., Del Monte, M., Fredi, P., Lombardi, S., Palmieri, E. L., & Pugliese, F. (2003), Morphological and geochemical evidence of neotectonics in the volcanic area of Monti Vulsini (Latium,Italy). Quaternary International, 101-102, 103-113. https://doi.org/10.1016/S1040-6182(02)00093-9

Cropper Jr., W. P., Ewel K. C., & Raich, J. W. (1985). The measurement of soil CO2 evolution in situ. Pedobiologia 28, 35-40.

Diliberto, I. S., Gurrieri, S., & Valenza, M. (1993). Vulcano: Gas geochemistry. CO2 flux from the ground. Acta Vulcanologica, 3, 272-273.

García, I. (2020). Fenómenos de transporte y conductividad electrolítica. Universidad de Valencia.

Gerlach, T. M., Doukas, M. P., McGee, K. A., & R. Kessler. (2001). Soil efflux and total emission rates of magmatic CO2 at the Horseshoe Lake tree kill, Mammoth Mountain, California, 1995-1999. Chemical Geology, 177(1-2), 101- 116. https://doi.org/10.1016/S0009-2541(00)00385-5

Giammanco, S., Gurrieri, S., & Valenza, M. (1995). Soil CO2 degassing on Mt. Etna (Sicily) during the period 1989-1993: Discrimination between climatic and volcanic influences. Bulletin of Volcanology, 57, 52-60. https://doi.org/10.1007/BF00298707

Giammanco S., Gurrieri, S., & Valenza, M. (1998). Anomalous soil CO2 degassing in relation to faults and eruptive fissures on Mount Etna (Sicily, Italy). Bulletin of Volcanology, 60, 252-259. https://doi.org/10.1007/s004450050231

Guerra, M., & Lombardi, S. (2001). Soil-gas method for tracing neotectonic faults in clay basins: The Pisticci field (southern Italy). Tectonophysics, 339(3-4), 511-522. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(01)00072-5

Gurrieri, S., & Valenza, M. (1988). Gas transport in natural porous medium: a method for measuring soil CO2 flows from the ground in volcanic and geothermal areas. Rendiconti della Societa Italiana di Mineralogia e Petrologia, 43, 1151-1158.

Hernández, P., Notsu, K., Salazar, J., Mori, T., Natale, G., Okada, H., Virgili, G., Shimoike, Y., Sato, M., & Pérez, N. (2001). Carbon dioxide degasing by advective flow from Usu Volcano, Japan. Science, 292(5514): 83-86. https://doi.org/10.1126/science.1058450

Inguaggiato, S., Jácome Paz, M. P., Mazot, A., Delgado Granados, H., Inguaggiato, C., & Vita. F. (2013). CO2 output discharged from Stromboli Island (Italy). Chemical Geology, 339, 52-60. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2012.10.008

Isachenko V., Osipova V., & Sukomel A. (1980). Heat Transfer. Mir Publisher.

Jácome Paz, M. P., Taran, Y., Inguaggiato, S., & Collard. N. (2016). CO2 flux and chemistry of El Chichón Crater Lake (México) in the period 2013-2015: Evidence for the enhanced volcano activity. Geophysical Research Letters, 43(1), 27-134. https://doi.org/10.1002/2015GL066354

Janssens, I., Kowalski, A., Longdoz, B., & Ceulemans, R. (2000). Assessing forest soil CO2 efflux: an in-situ comparison of four techniques. Tree Physiology, 20(1), 23-32. https://doi.org/10.1093/treephys/20.1.23

Hernández, P. A, Salazar, J. M., Shimoike, Y., Mori, T., Notsu, K., & Pérez, N. M. (2001). Diffuse emission of CO2 from Miyakejima volcano, Japan. Chemical Geology, 177(1-2), 175-185. https://doi.org/10.1016/S0009-2541(00)00390-9

Moreno, J. (2005). Metodología para el cálculo de incertidumbre. Encuentro Nacional de metrología eléctrica, México.

Nakadai, T., Koizumi, H., Usami, Y., Satoh, M., & Oikawa, T. (1993). Examination of the method for measuring soil respiration in cultivated land: Effect of carbon dioxide concentration on soil respiration. Ecological Research, 8(1), 65- 71. https://doi.org/10.1007/BF02348608

Norman, J. M., García, R., & Verma, S. B. (1992). Soil surface CO2 fluxes and the carbon budget of a grassland. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 97(D17), 18 845- 18 853. https://doi.org/10.1029/92JD01348

Notsu, K., Mori, T., Chanchah, D., Vale, S., Kagi, H., & Ito, T. (2006). Monitoring quiescent volcanoes by diffuse CO2 degassing: case study of Mt. Fuji, Japan. Pure and Applied Geophysics, 163(4), 825-835. https://doi.org/10.1007/s00024-006-0051-0

Rogie, J. D., Kerrick, D. M., Sorey, G., Chiodini, M. L., & Galloway, D. L. (2001). Dynamics of carbon dioxide emission at Mammoth Mountain Continuous monitoring of diffuse CO2 degassing, Horseshoe Lake, Mammoth Mountain, California. Earth and Planetary Science Letters, 188(3-4), 531-541. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(01)00344-2

Sahimi, M. (1995). Flow and Transport in Porous Media and Fractured Rock: From Classical Methods to Modern Approaches. Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. https://doi.org/10.1002/9783527636693

Salazar, J. M. L., Pérez, N. M., Hernández, P. A., Soriano, T., Barahona, F., Olmos, R., Cartagena, R., López, D. L., Lima, R. N., Melián, G., Galindo, I., Padrón, E., Sumino, H., & Notsu, K. (2002). Precursory diffuse carbon dioxide degassing signature related to a 5.1 magnitude earthquake in El Salvador, Central America. Earth and Planetary Science Letters, 205(1-2), 81-89. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(02)01014-2

Spicák, A., & Horálek, J. (2001). Possible role of fluids in the process of earthquakes swarm generation in the West Bohemia/ Vogtland seismoactive region. Tectonophysics, 336(1-4), 151-161. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(01)00099-3

Tonani, F., & Miele, G. (1991). Methods for measuring flow of carbon dioxide through soils in the volcanic setting. International Conference Active Volcanoes and Risk Mitigation, IAVCEI, Naples, Italy.

Wakita, H. (1996). Geochemical challenge to earthquake prediction. PNAS, 93(9), 3781-3786. https://doi.org/10.1073/ pnas.93.9.3781

West Systems. (2012). Portable difusse flux meter with LI-COR CO2 detector. HandBook.

Witkamp, M. (1966). Decomposition of leaf litter in relation to environment, microflora and microbial respiration. Ecology, 47(2), 194-201. https://doi.org/10.2307/1933765

World Meteorological Organization (WMO). (2019). The State of Greenhouse Gases in the Atmosphere Based on Global Observations through 2018. WMO Greenhouse Gas Bulletin, (15).

Cómo citar
Oliveras, N. (2021). Analytical solution of CO2 mass flux measurement with Non-Dispersive Infrared sensors for soil in diffusive and advective-diffusive regime: Tool for the continuous and telemetric measurement of volcanic gases in an open chamber. Boletín Geológico, 48(2). https://doi.org/10.32685/0120-1425/bol.geol.48.2.2021.496

Descargas

La descarga de datos todavía no está disponible.
Publicado
2021-09-24
Cómo citar
Oliveras, N. (2021). Analytical solution of CO2 mass flux measurement with Non-Dispersive Infrared sensors for soil in diffusive and advective-diffusive regime: Tool for the continuous and telemetric measurement of volcanic gases in an open chamber. Boletín Geológico, 48(2). https://doi.org/10.32685/0120-1425/bol.geol.48.2.2021.496
Sección
Artículos