Miejscem takich geologicznych niespodzianek jest Nikaragua, gdzie wybuchy wulkanów Fontana Lapilli i Masaya Triple Layer zaskoczyły naukowców swoją siłą. Okazuje się, że za tym zjawiskiem stoją mikroskopijne kryształy zwane nanolitami, które potrafią zwiększyć lepkość magmy nawet tysiąckrotnie.
Mikroskopijne kryształy sterują wybuchami wulkanów
Międzynarodowy zespół badawczy pod kierunkiem dr Emily C. Bamber z włoskiego CNR-ISSMC dokonał ważnego odkrycia w dziedzinie wulkanologii. Badania opublikowane w Nature Communications pokazują, jak niewidoczne struktury potrafią radykalnie wpływać na charakter erupcji.
Czytaj także: Gigantyczna chmura w kształcie grzyba widoczna ze 150 kilometrów. Wulkan Lewotobi znów dał o sobie znać
Nanolity to kryształy mniejsze niż 1 mikron – dla porównania, ludzki włos ma średnicę około 100 mikrometrów. Ich mikroskopijne rozmiary sprawiają, że są niemal niemożliwe do zaobserwowania tradycyjnymi metodami mikroskopowymi, co przez lata ukrywało ich kluczową rolę w procesach wulkanicznych.
Zaawansowana technika obrazowania ujawnia ukryte struktury
Przełomu dokonano dzięki zaawansowanej technice obrazowania w zakresie rentgenowskimwykorzystanej na linii I13-1 Diamond Light Source. Ta bezsoczewkowa metoda mikroskopii fazowej w nanoskali pozwala na obrazowanie obiektów z rozdzielczością 50 nanometrów, umożliwiając pierwsze bezpośrednie obserwacje agregacji nanolitów w próbkach wulkanicznych.
Trójwymiarowe obrazy pokazały, że nanolity nie unoszą się swobodnie w magmie, lecz łączą się w struktury o wielkości do 6 mikrometrów. Te skupiska zmieniają zarówno chemię, jak i fizyczne właściwości stopionej skały, tworząc warunki sprzyjające gwałtownym erupcjom.
Nikaragua jako naturalne laboratorium wybuchowych bazaltów
Autorzy badania skupili się na skałach wulkanicznych z regionu Las Sierras-Masaya w Nikaragui, miejsca dwóch niezwykle wybuchowych erupcji bazaltowych. Fontana Lapilli i Masaya Triple Layer wyprodukowały wysokie kolumny popiołu i wyrzuciły ponad kilometr sześcienny materiału, mimo że warunki geologiczne nie wskazywały na możliwość tak dramatycznych wydarzeń.
Te erupcje stanowiły geologiczną zagadkę przez dziesięciolecia. Magma bazaltowa charakteryzuje się zazwyczaj niską lepkością, co prowadzi do łagodnych erupcji z powolnymi strumieniami lawy. Nikaraguańskie wulkany jednak przełamały te reguły, demonstrując siłę porównywalną z wybuchowymi erupcjami andezytowymi czy dacytowymi.
Tytanomagnetyt jako główny winowajca
Analiza próbek ujawniła, że kluczową rolę odgrywają nanolity tytanomagnetytu – kryształy bogate w tytan o średnicy 20-300 nanometrów. Te mikroskopijne struktury tworzą długie, nieregularne skupiska, które intensywnie wyciągają żelazo i tytan z otaczającej magmy.
Proces ten prowadzi do powstania wokół nanolitów stref bogatych w krzemionkę, charakteryzujących się znacznie wyższą lepkością niż pierwotna magma. Rezultatem jest magma nawet tysiąc razy gęstsza niż normalnie, podatna na gwałtowną fragmentację podczas wznoszenia.
Mechanizm zagęszczania magmy i jego konsekwencje
Krystalizacja nanolitów powoduje powstanie zróżnicowanych warstw granicznych wzbogaconych w krzem i glin, a zubożonych w żelazo i tytan. Te warstwy o grubości od 10 do 350 nanometrów zwiększają efektywną objętość nanolitów o około 60%, co ma dramatyczny wpływ na właściwości fizyczne magmy.
Obliczenia wskazują, że krystalizacja nanolitów może zwiększyć lepkość magmy o 2-3 rzędy wielkości – od 20 do nawet 200 razy w porównaniu z pierwotną magmą bazaltową. Taka zmiana właściwości sprawia, że magma staje się niezwykle podatna na gwałtowną fragmentację podczas wznoszenia ku powierzchni.
Wysoka zawartość kryształów w magmie, szybkie wznoszenie i stosunkowo chłodne warunki przechowywania – wszystkie te czynniki przyczyniły się do nieoczekiwanej wybuchowości erupcji w Nikaragui. Zagęszczenie wywołane obecnością cząstek stałych i zmianami chemicznymi czyni magmę bardziej skłonną do eksplozywnej fragmentacji.
Szybkość procesu a czas erupcji
Badania wykazały, że nanolity o średnicy 20-30 nanometrów mogą krystalizować w ciągu zaledwie kilku minut, co jest zgodne z szacowanym czasem wznoszenia się magmy dla erupcji MTL wynoszącym 1-13 minut. Ta synchronizacja czasowa oznacza, że proces zagęszczania magmy przez nanolity może zachodzić w czasie rzeczywistym podczas erupcji, drastycznie zmieniając jej charakter z łagodnej na wybuchową.
Analizy porównawcze metod charakteryzacji 2D i 3D wskazują, że szacunki objętości nanolitów uzyskane z tradycyjnych badań dwuwymiarowych mogą być niedoszacowane o jeden do dwóch rzędów wielkości. To odkrycie sugeruje, że wpływ nanolitów na procesy wulkaniczne był systematycznie bagatelizowany.
Nowe możliwości w przewidywaniu zagrożeń wulkanicznych
Odkrycie roli nanolitów może znacząco zmienić sposób oceny ryzyka wulkanicznego. Dotychczas regiony z wulkanami bazaltowymi były uważane za stosunkowo bezpieczne ze względu na przewidywalnie łagodny charakter erupcji. Nowe badania pokazują jednak, że obecność nanolitów może przekształcić nawet wulkany o niskim ryzyku w źródła wybuchowych erupcji.
Naukowcy podkreślają, że regiony magmy pozornie ubogie w kryształy mogą w rzeczywistości zawierać znaczące ilości nanolitów. Oznacza to systematyczne niedoszacowywanie ich wpływu na lepkość magmy przy analizach prowadzonych jedynie w mikroskali tradycyjnymi metodami.
Czytaj także: Erupcja wulkanu doprowadziła do wielkiej katastrofy. Satelity ujawniły coś niespodziewanego
Zrozumienie mechanizmów powstawania i zachowania nanolitów może pomóc naukowcom lepiej przewidywać, które erupcje mogą być bardziej wybuchowe, nawet w przypadku wulkanów wcześniej uważanych za niskiego ryzyka. To odkrycie otwiera nowe możliwości dla lepszego przewidywania zagrożeń wulkanicznych i ochrony społeczności zamieszkujących w pobliżu aktywnych wulkanów.
Badania nad nanolitami pokazują, jak zaawansowane techniki obrazowania mogą ujawnić ukryte mechanizmy kontrolujące jedne z najpotężniejszych sił natury. Mikroskopijne kryształy, niewidoczne dla tradycyjnych metod badawczych, okazują się kluczowymi graczami w dramatycznych przemianach magmy, które mogą zadecydować o losach całych regionów.
Co to oznacza dla przyszłości wulkanologii
To odkrycie nie rozwiązuje jeszcze wszystkich zagadek związanych z erupcjami wulkanicznymi, ale stanowi ważny krok naprzód. Pokazuje, że nawet pozornie dobrze poznane procesy geologiczne mogą kryć niespodzianki. Dla naukowców oznacza to konieczność rewizji dotychczasowych modeli i uwzględnienia roli nanolitów w ocenie ryzyka wulkanicznego.