科學家們發現了一種由熱驅動的岩漿內部過程，這或許能解釋為何特徵相似的火山有時會以截然不同的方式噴發。
由曼徹斯特大學領導的國際研究團隊分析了 2021 年西班牙拉帕爾馬島 Tajogaite 火山噴發的岩漿。科學家們發現，「過熱」現象，即岩漿溫度超過晶體穩定時的溫度，會延緩岩漿在接近地表時的結晶過程。
發表在《Nature Communications》上的研究發現，強烈的熱量可以溶解微小的現有晶體，而這些晶體通常是新晶體生長的「種子」。
過熱還會在微觀層面重組岩漿，使其內部結構更均勻，不利於新晶體的形成。這些變化會影響岩漿上升的速度以及火山氣體逸出的難易程度。這兩個因素共同作用，會強烈影響噴發是產生壯觀的熔岩柱還是緩慢的熔岩釋放。
這些結果為一個長期的科學問題提供了新的見解：岩漿的溫度歷史如何影響噴發前和噴發期間的結晶作用。
首席作者、曼徹斯特大學研究員 Barbara Bonechi 博士表示：「晶體和氣泡生長的歷史可以極大地控制岩漿的噴發方式；特別是，隨著更多晶體的生長，它們最終會對岩漿的黏度產生劇烈影響。直到現在，我們尚未完全理解在噴發前不久接收到過熱注入的岩漿的結晶生長動力學。但藉助我們令人興奮且新開發的 X 射線透明壓力容器結合同步加速器 X 射線顯微斷層掃描技術，我們實際上可以在原地觀察這些過程。」
在實驗室中重現火山條件
為了研究這個過程，研究人員利用從 Tajogaite 火山噴發採集的岩漿，重現了火山內部的條件。這些岩漿在噴發前以及在通過地殼上升過程中可能經歷了過熱。
在 Diamond Light Source，該團隊使用同步加速器 X 射線顯微斷層掃描技術實時觀察了岩漿中的晶體形成。他們還在布拉格進行了補充性的異位實驗，這使得能夠在更長的時間內觀察樣本。
這些實驗共同使科學家能夠在嚴格控制的強熱和高壓條件下追蹤結晶作用。
晶體生長延遲超過八小時
樣本之間的差異非常顯著。未經過熱處理的岩漿在大約 20 分鐘後開始形成晶體。
相比之下，強烈的過熱現象阻止了長達八小時以上的晶體形成。
研究人員將這些實驗測量到的成核延遲應用於岩漿上升的數值模型。這些模擬旨在展示岩漿在向上穿過地殼時的運動和變化。
模型表明，結晶作用的長期延遲可以使岩漿保持相對流動，使其能夠快速上升到地表。這種快速移動的岩漿有助於產生壯觀的熔岩柱。
然而，當晶體開始較早形成時，岩漿會變得更濃稠、黏度更高。然後它上升得更慢，讓火山氣體有更多時間逸出，從而更有可能發生較為緩和的噴發。
研究人員表示，這種新識別出的過熱作用可能幫助火山學家更好地解釋監測數據，並改善對噴發行為的預測。
共同作者、曼徹斯特大學火山學高級講師 Margherita Polacci 博士表示：「目前的火山危害模型通常側重於岩漿化學、氣體含量和壓力變化。這項工作表明，噴發前的熱歷史和結晶動力學也可能在控制岩漿上升和噴發行為方面發揮重要作用，這對火山危害評估具有啟示意義。」