Исследователи из Diamond Light Source использовали передовые методы визуализации для изучения микроскопических кристаллов, называемых нанолитами, чтобы узнать, что они могут рассказать нам об извержениях вулканов.
Высоковзрывные извержения представляют значительную опасность для сообществ, живущих вблизи действующих вулканов. Эти извержения могут образовывать столбы пепла и газа, которые поднимаются высоко в атмосферу, откладывая большие объёмы вулканического материала в нескольких километрах от вулкана.
То, насколько сильным будет извержение вулкана, зависит от того, что происходит, когда магма поднимается через кору. По мере движения вверх в магме образуются кристаллы и пузырьки газа, которые делают её более густой (вязкой) и увеличивают шансы на взрывное извержение. Понимание того, что может привести к таким извержениям, может предоставить важную информацию для оценки опасности, угрожающей близлежащим сообществам.
Недавнее исследование
Недавнее исследование, опубликованное в Nature Communications, проведённое международной исследовательской группой под руководством доктора Эмили К. Бэмбер из Института науки, технологий и устойчивого развития керамики Национального исследовательского совета (CNR-ISSMC), изучало роль наноразмерных кристаллов во взрывных извержениях.
Такие кристаллы, известные как нанолиты, имеют размер менее 1 микрона (для сравнения, диаметр человеческого волоса составляет 100 микрон), и поэтому их трудно наблюдать с помощью обычных методов микроскопии из-за их малого размера. Чтобы получить изображение и визуализировать обогащённые железом и титаном нанолиты, команда использовала рентгеновскую Ptychography на канале пучка I13-1 в Diamond.
Методы исследования
Рентгеновская Ptychography — это безлинзовая методика фазовой микроскопии на наноуровне, также описанная как сканирующая когерентная дифракционная визуализация (CDI). Исследование было сосредоточено на вулканических породах из региона Лас-Сьеррас-Масая в Никарагуа, где произошли два необычно взрывных базальтовых извержения: Фонтана Лапилля и Масая Тройной слой.
Базальтовая магма обычно имеет низкую вязкость и извергается мягко, но эти события привели к образованию высоких столбов пепла и выбросу более одного кубического километра материала. Ключ к их взрывоопасности может лежать в нанолитах.
Результаты исследования
Исследователи обнаружили, что кристаллы, богатые титаном, известные как титаномагнетит, образуют длинные неравномерные скопления, которые вытягивают железо и титан из окружающей магмы. Этот химический сдвиг создаёт зоны, богатые кремнезёмом, вокруг кристаллов, которые значительно более вязкие. В результате магма становится в 1000 раз гуще, чем обычно, и склонна к насильственному дроблению при подъёме.
Трёхмерные изображения I13-1 показали, что нанолиты не просто свободно плавают в магме. Они собираются в структуры размером до 6 микрометров, изменяя как химический состав, так и физический поток расплавленной породы.
Этот эффект утолщения, вызванный присутствием твёрдых частиц и химическими изменениями, которые они вызывают, делает магму более склонной к взрывоопасной фрагментации. В случае извержений Фонтана Лапилля и Масая Тройной слой высокое содержание кристаллов в магме, быстрый подъём и относительно холодные условия хранения способствовали её неожиданной взрывоопасности.
Выводы
Полученные результаты предлагают новый взгляд на вулканические опасности. Понимая, как образуются и ведут себя нанолиты, учёные могут лучше предсказывать, какие извержения могут быть более взрывными, даже в вулканах, которые ранее считались малорискованными.
Предоставлено Diamond Light Source.