Исследование находит, что крошечные пузырьки рассказывают истории о крупных вулканических извержениях

Микроскопические пузырьки могут рассказать истории о крупнейших вулканических извержениях Земли, а геологи из Университета Райса и Техасского университета в Остине обнаружили, что некоторые из этих историй записаны в наночастицах. В открытом исследовании, опубликованном в Nature Communications, Саханд Хаджемирза и Хельге Гоннерманн из Райса и Джеймс Гарднер из UT Austin ответили на давний вопрос об эксплозивных извержениях, подобных извержению вулкана Сент-Хеленс в 1980 году, Пинатубо в 1991 году или Чаитена в 2008 году.

Ученые давно стремились использовать крошечные пузырьки в извергнутой лаве и пепле для реконструкции некоторых условий, таких как тепло и давление, возникающих при этих мощных извержениях. Однако исторически существовал разрыв между численными моделями, предсказывающими количество образующихся пузырьков, и фактическим количеством пузырьков, измеренным в изверженных породах. Хаджемирза, Гоннерманн и Гарднер работали более пяти лет, чтобы согласовать эти различия для плинианских извержений — одних из самых интенсивных и разрушительных вулканических событий.

Один из способов оценить скорость подъема магмы — изучение микроскопических пузырьков. Как и в откупоренном шампанском, пузырьки в магме образуются из-за быстрого снижения давления, что заставляет растворенную воду выделяться в виде газовых пузырьков. Чем быстрее поднимается магма, тем больше образуется пузырьков. В плинианских извержениях их количество ошеломляюще: например, при извержении Сент-Хеленс в 1980 году в каждом кубическом метре извергнутого материала содержалось около миллиона миллиардов пузырьков.

В новом исследовании ученые изучили, как кристаллы магнетита размером в несколько миллиардных долей метра могут изменять процесс образования пузырьков на различных глубинах. Пузырьки могут образовываться в жидкости (гомогенное зарождение) или на поверхности твердого тела (гетерогенное зарождение). Поверхностями для зарождения в магме часто служат крошечные кристаллы, причем магнетиты являются наиболее эффективными.

Включив в численные модели гетерогенное зарождение на магнетите, исследователи получили результаты, согласующиеся с наблюдательными данными по плинианским извержениям. Хаджемирза отметил, что магнетиты, вероятно, присутствуют во всей плинианской магме, а предыдущие исследования могли не обнаружить достаточно мелкие нанокристаллы.

Ученые призывают к «систематическому поиску нанолитов магнетита» в материале плинианских извержений. Это предоставит данные для лучшего определения роли магнетитов и гетерогенного зарождения в формировании пузырьков и может привести к улучшению моделей и прогнозов извержений. «Прогнозирование извержений — долгосрочная цель вулканологов, и оно является сложной задачей, потому что мы не можем непосредственно наблюдать подповерхностные процессы», — сказал Хаджемирза.