DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-01182-w
تاريخ النشر: 2024-01-02
المؤلف: Emily C. Bamber وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحليل الجيولوجي والجيوكيميائي
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في العلاقة بين نفاذية الصهارة، والانبعاث الغازي، والانفجارية في الانفجارات البازلتية، مع التركيز على تعقيد هذه التفاعلات. باستخدام التصوير المقطعي المجهري بالأشعة السينية، تقوم الدراسة بتحديد شبكة المسام ثلاثية الأبعاد للقطع البركانية البازلتية من الانفجارات البلينية، كاشفة عن كثافات عدد الفقاعات التي تتجاوز $10^{12} \, \text{m}^{-3}$، ونسب حجم المسام المنخرطة المنخفضة (≤ 0.27)، والتعقيدات التي تصل إلى 6.5. تشير النتائج إلى أنه بينما تؤثر كثافة عدد الفقاعات ومعامل الاحتكاك بشكل كبير على الانبعاث الغازي ونمط الانفجار، يمكن أن تعيق معدلات صعود الصهارة السريعة الانبعاث الغازي بغض النظر عن النفاذية، مما يحافظ على ارتباط الغاز بالمصهور.
تخلص الدراسة إلى أن التغيرات الصغيرة في الظروف قبل الانفجار، مثل درجة الحرارة والبلورية، يمكن أن تؤثر بشكل كبير على سلوك الانفجار من خلال تعزيز التبلور السريع وتكوين الفقاعات أو من خلال إنشاء شبكات مسامية قابلة للنفاذ تعزز الانبعاث الغازي. تشير هذه الرؤى إلى أن المراقبة الدقيقة للظروف قبل الانفجار أمر حيوي لتقييم المخاطر والتخفيف من المخاطر في الأنظمة البازلتية، التي تظهر مجموعة متنوعة من أنماط الانفجار.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام التصوير المقطعي بالأشعة السينية المتزامنة مع تباين الطور (μCT) لتحليل عينات من اللابيللي السخري من انفجارات بركانية مختلفة، تحديدًا انفجارات FL وMTL، بالإضافة إلى انفجار 122 قبل الميلاد من جبل إتنا. تم إجراء التجارب في خط شعاع SYRMEP في منشأة إلترا للأشعة السينية في إيطاليا، باستخدام شعاع أشعة سينية متعددة الألوان مصفاة بمتوسط طاقة قدرها 27 keV. تم تدوير كل عينة 180° أثناء المسح، مع التقاط 1800 صورة على مدار حوالي ساعة، مما سمح بتصوير مفصل للعينات.
تم إعادة بناء شرائح محورية ثنائية الأبعاد من الصور الملتقطة باستخدام برنامج SYRMEP Tomo Project، الذي تضمن خوارزمية استرجاع الطور لمسافة واحدة لتعزيز تباين الفقاعات. تم معالجة الشرائح المعاد بناؤها في برمجيات ImageJ وAvizo لإنشاء أحجام افتراضية ثلاثية الأبعاد، حيث تم تقسيم الفقاعات باستخدام خوارزمية العتبة التلقائية 3D Otsu. تم حساب المعلمات الرئيسية مثل المسامية ($\Phi$)، والمسامية المتصلة ($\Phi_c$)، وكثافة عدد الفقاعات ($N_d$)، والتعقيد ($\tau$)، ونسبة حجم المسام المنخرطة ($f_{tb}$)، مع استخدام التعقيد لاحقًا لاشتقاق عامل التعقيد ($m$). توفر منهجية الدراسة نهجًا شاملاً لفهم الخصائص الميكروهيكلية للمواد البركانية.
النتائج
تشير النتائج إلى وجود اختلافات كبيرة في شكل الفقاعات وتوزيعها بين القطع البركانية من انفجارات مختلفة. تظهر القطع البركانية من FL بشكل رئيسي فقاعات كروية ذات حواف منتظمة، بينما تظهر القطع البركانية من إتنا 122 قبل الميلاد فقاعات غير منتظمة ومتعددة الفصوص. يتناقص حجم الفقاعات ويصبح أكثر عدم انتظام مع زيادة شدة الانفجار، كما لوحظ من نوافير إتنا 2001 و2013 إلى الانفجار البليني لعام 122 قبل الميلاد. تتبع توزيعات حجم الفقاعات (VSDs) للقطع البلينية اتجاهًا قانونيًا بقوة أكبر من 1 لأحجام الفقاعات التي تتجاوز \(10^6 \, \mu m^3\)، مما يشير إلى أن الانفجارية الأعلى ترتبط بزيادة الأس. تم العثور على أعلى كثافات عدد الفقاعات (N_d) في القطع البركانية من FL، والتي تتراوح من 2635 إلى 11,804 mm\(^{-3}\)، بينما أظهرت القطع البركانية من MTL وإتنا 122 قبل الميلاد كثافات أقل، مما يدل على عمليات مختلفة لتكوين الفقاعات ونموها.
تكشف الدراسة أيضًا أن شكل الفقاعات يتأثر ببلورية القطع، حيث تظهر العينات الغنية بالبلورات اتصالًا أعلى وتعقيدًا، مما قد يعيق نفاذية الصهارة. كانت درجة الاتصال في قطع MTL وإتنا 122 قبل الميلاد مرتفعة بشكل ملحوظ، بينما أظهرت قطع FL نطاقًا أوسع من قيم الاتصال. كانت نسبة حجم المسام المنخرطة (f_tb) متسقة عبر القطع من الانفجارات البلينية ونوافير، مما يشير إلى أن القيم المنخفضة من f_tb ترتبط بانخفاض نفاذية الصهارة وزيادة احتمال الانفجارات الانفجارية. بشكل عام، تبرز النتائج التفاعل المعقد بين شكل الفقاعات، والبلورية، وديناميات الانفجار، مع تداعيات لفهم الآليات التي تحرك النشاط البركاني الانفجاري.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التفاعل المعقد بين أنماط الانفجار لبركان البازلت والعمليات التي تحكم صعود الصهارة، مع التركيز بشكل خاص على الانبعاث الغازي، والنفاذية، وديناميات الانفجار الناتجة. تتأثر أنماط الانفجار، التي تتراوح من الانفجارات الهادئة إلى الانفجارية، بكفاءة هروب الغاز أثناء صعود الصهارة، والتي تتأثر بعمليات القناة مثل التبلور وإزالة الغاز. تؤكد الدراسة على أن أنظمة التدفق المختلفة – الفقاعي، والفقاعي الكبير، والحلقوي، والقابل للنفاذ – تلعب أدوارًا متميزة في تحديد سلوك الانفجار، حيث يرتبط نظام التدفق الفقاعي الكبير غالبًا بالانفجارات العارضة، بينما يمكن أن يؤدي نظام التدفق القابل للنفاذ إلى مجموعة متنوعة من أنماط الانفجار اعتمادًا على نفاذية الصهارة.
يستخدم المؤلفون التصوير المقطعي بالأشعة السينية (μCT) لتحليل الشبكات المسامية ثلاثية الأبعاد للقطع البركانية من انفجارات مختلفة، كاشفين أن النفاذية لا تعتمد فقط على المسامية ولكن أيضًا على هندسة شبكة المسام. تشير محاكياتهم العددية إلى أن معدل صعود الصهارة يؤثر بشكل كبير على نمط الانفجار، حيث تؤدي معدلات الصعود السريعة عادةً إلى الانفجارات الانفجارية بسبب تقييد الانبعاث الغازي. تشير النتائج إلى أن نهجًا شاملًا، يأخذ في الاعتبار كل من النفاذية والعمليات المتعلقة بالصعود الأخرى، أمر ضروري لفهم الانتقالات بين الانفجارات الانفجارية والهادئة في الأنظمة البازلتية. تؤكد النتائج على أهمية الظروف الأولية، مثل درجة الحرارة ومحتوى البلورات، في تشكيل سلوك الانفجار لصهارات البازلت.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-01182-w
Publication Date: 2024-01-02
Author(s): Emily C. Bamber et al.
Primary Topic: Geological and Geochemical Analysis
Overview
This research investigates the relationship between magma permeability, outgassing, and explosivity in basaltic eruptions, emphasizing the complexity of these interactions. Utilizing X-ray microtomography, the study quantifies the 3D pore network of basaltic pyroclasts from Plinian eruptions, revealing bubble number densities exceeding $10^{12} \, \text{m}^{-3}$, low throat-pore size ratios (≤ 0.27), and tortuosities up to 6.5. The findings indicate that while bubble number density and friction coefficient significantly influence outgassing and eruptive style, fast magma ascent rates can inhibit outgassing regardless of permeability, maintaining gas-melt coupling.
The research concludes that small variations in pre-eruptive conditions, such as temperature and crystallinity, can dramatically affect eruptive behavior by promoting rapid crystallization and bubble nucleation or by establishing permeable pore networks that enhance outgassing. These insights suggest that close monitoring of pre-eruptive conditions is vital for hazard assessment and risk mitigation in basaltic systems, which display a diverse range of eruptive styles.
Methods
In this study, phase-contrast synchrotron X-ray micro-computed tomography (μCT) was employed to analyze scoria lapilli samples from various volcanic eruptions, specifically the FL and MTL eruptions, as well as the 122 BC eruption from Mount Etna. The experiments were conducted at the SYRMEP beamline of the Elettra synchrotron facility in Italy, utilizing a filtered polychromatic X-ray beam with a mean energy of 27 keV. Each sample was rotated 180° during scanning, with a total of 1800 projections captured over approximately one hour, allowing for detailed imaging of the samples.
The reconstruction of 2D axial slices from the acquired projections was performed using SYRMEP Tomo Project software, which included a single-distance phase-retrieval algorithm to enhance vesicle contrast. The reconstructed slices were processed in ImageJ and Avizo software to create 3D virtual volumes, where vesicles were segmented using the 3D Otsu automatic thresholding algorithm. Key parameters such as porosity ($\Phi$), connected porosity ($\Phi_c$), bubble number density ($N_d$), tortuosity ($\tau$), and throat-pore size ratio ($f_{tb}$) were calculated, with tortuosity further used to derive the tortuosity factor ($m$). The study’s methodology provides a comprehensive approach to understanding the microstructural characteristics of volcanic materials.
Results
The results indicate significant differences in vesicle morphology and distribution among pyroclasts from various eruptions. FL pyroclasts predominantly exhibit spherical vesicles with regular margins, while Etna 122 BC pyroclasts display irregular, polylobate vesicles. The vesicle size decreases and becomes more irregular with increasing eruption intensity, as observed from the Etna 2001 and 2013 fountains to the Plinian eruption of 122 BC. Vesicle size distributions (VSDs) for Plinian clasts follow a power-law trend with an exponent greater than 1 for bubble volumes exceeding \(10^6 \, \mu m^3\), suggesting that higher explosivity correlates with an increasing exponent. The highest bubble number densities (N_d) were found in FL pyroclasts, ranging from 2635 to 11,804 mm\(^{-3}\), while MTL and Etna 122 BC pyroclasts exhibited lower densities, indicative of different bubble nucleation and growth processes.
The study further reveals that vesicle morphology is influenced by the crystallinity of the clasts, with crystal-rich samples showing higher connectivity and tortuosity, which may hinder magma permeability. The connectivity of MTL and Etna 122 BC clasts was notably high, while FL clasts displayed a broader range of connectivity values. The throat-pore size ratio (f_tb) was consistent across clasts from Plinian and fountain eruptions, suggesting that lower values of f_tb correlate with reduced magma permeability and increased likelihood of explosive eruptions. Overall, the findings highlight the complex interplay between vesicle morphology, crystallinity, and eruption dynamics, with implications for understanding the mechanisms driving explosive volcanic activity.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the complex interplay between eruptive styles of basaltic volcanoes and the processes governing magma ascent, particularly focusing on outgassing, permeability, and the resulting eruption dynamics. Eruptive styles, ranging from effusive to explosive, are influenced by the efficiency of gas escape during magma ascent, which is affected by conduit processes such as crystallization and gas exsolution. The study emphasizes that different flow regimes—bubbly, slug, annular, and permeable—play distinct roles in determining the eruptive behavior, with the slug flow regime often linked to transient Strombolian eruptions, while the permeable flow regime can lead to a variety of eruptive styles depending on the magma’s permeability.
The authors employ X-ray computed microtomography (μCT) to analyze the three-dimensional pore networks of pyroclasts from various eruptions, revealing that permeability is not solely dependent on porosity but also on the geometry of the pore network. Their numerical simulations indicate that the ascent rate of magma significantly influences the eruptive style, with fast ascent rates typically leading to explosive eruptions due to restricted outgassing. The findings suggest that a holistic approach, considering both permeability and other ascent-related processes, is essential for understanding the transitions between explosive and effusive eruptions in basaltic systems. The results underscore the importance of initial conditions, such as temperature and crystal content, in shaping the eruptive behavior of basaltic magmas.