Ossidazione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7117 (2023) Citare questo articolo

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I cristalli di dimensioni nanometriche (nanoliti) svolgono un ruolo importante nel controllo delle eruzioni influenzando la viscosità dei magmi e inducendo la nucleazione delle bolle. Presentiamo analisi petrografiche microscopiche e nanoscopiche dettagliate della pomice contenente nanoliti e priva di nanoliti dall'eruzione del 2021 di Fukutoku-Oka-no-Ba, in Giappone. L'assemblaggio di minerali nanolitici comprende biotite, che è assente nell'assemblaggio di minerali fenocristallini, e magnetite e clinopirosseno, che sono osservati come fenocristalli. Il confine tra il vetro marrone contenente nanolite e il vetro incolore privo di nanolite è netto o graduale, e i confini netti appaiono netti anche al microscopio elettronico a trasmissione. L'analisi della struttura fine di assorbimento dei raggi X (XAFS) del vetro vulcanico ha rivelato che il vetro incolore privo di nanoliti registra una fugacità di ossigeno di QFM + 0,98 (unità logaritmiche), mentre il vetro marrone contenente nanoliti registra una fugacità di ossigeno apparente più elevata (~ QFM+2). La modellazione termodinamica utilizzando MELTS indica che fugacità di ossigeno più elevate aumentano la temperatura del liquidus e quindi inducono la cristallizzazione delle nanoliti di magnetite. L'assemblaggio minerale di nanoliti idratate e le stime della fugacità dell'ossigeno nel vetro suggeriscono che un fluido ossidante fornito da un magma mafico caldo ha indotto la cristallizzazione delle nanoliti nel serbatoio del magma, prima della frammentazione del magma. La cristallizzazione della nanolite indotta dall’ossidazione ha poi potenziato la nucleazione di bolle eterogenee, provocando convezione nel serbatoio di magma e innescando l’eruzione.

I cristalli su scala nanometrica, noti come nanoliti, svolgono un ruolo importante durante le eruzioni. Le nanoliti erano originariamente distinte dai microliti per una marcata interruzione nella distribuzione delle dimensioni dei cristalli (CSD) a < 600 nm1, e Mujin et al.2 successivamente ridefinirono i nanoliti come cristalli di 30-1000 nm di lunghezza e gli ultrananoliti come cristalli di < 30 nm in lunghezza. Gli studi petrografici convenzionali delle nanoliti hanno richiesto sistemi di osservazione ad alta risoluzione, ad esempio il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) o il microscopio elettronico a scansione ad alta risoluzione (HR-SEM). La microscopia Raman ha reso sempre più semplice il rilevamento di nanoliti di ossido di Fe-Ti (magnetite)3,4. Si ritiene generalmente che la cristallizzazione dei nanoliti rifletta processi superficiali, inclusa la risalita del magma nel condotto4,5,6,7,8 e il processo di raffreddamento dopo la frammentazione del magma9. È stato inoltre dimostrato che la cristallizzazione delle nanoliti di magnetite può aumentare l'esplosività di un'eruzione aumentando la viscosità del magma o aumentando la nucleazione delle bolle4,10,11,12,13. Tuttavia, recenti esperimenti in situ indicano che, sebbene la cristallizzazione delle nanoliti aumenti la viscosità, l'effetto di aumento della fusione naturale non è così elevato come previsto dai materiali analoghi14, e la relazione tra nanoliti e processi vulcanici rimane poco chiara. Inoltre, rimane poco chiaro il modo in cui inizia la cristallizzazione delle nanoliti (o nucleazione delle bolle) durante l’eruzione del magma.

Fukutoku-Oka-no-Ba (FOB) è un vulcano sottomarino nell'arco Izu-Ogasawara nel Pacifico nordoccidentale, ~ 1300 km a sud del Giappone continentale (24°17.1′N, 141°28.9′E). La sommità del vulcano ha una forma ovale piatta con una lunghezza di 1,5 × 1 km alla profondità di ~ 30 m sotto il livello del mare prima dell'eruzione del 202115. Dal 13 al 15 agosto 2021 (ora solare del Giappone), si è verificata un'eruzione esplosiva sul vulcano16,17,18. Sulla base dell'osservazione satellitare, Maeno et al.16 hanno indicato che la colonna eruttiva era ricca d'acqua con una piccola quantità di materiali vulcanoclastici e, quindi, l'esplosività dell'eruzione era aumentata dall'interazione tra l'acqua di mare e un'elevata velocità di scarico del magma. L'eruzione ha prodotto una grande zattera di pomice, costituita principalmente da pomice di colore grigio, che è stata trasportata verso ovest dalle correnti oceaniche per > 1000 km18,19. La zattera di pomice arrivò prima sulle coste del Pacifico delle isole giapponesi e successivamente viaggiò verso ovest per un totale di > 5000 km, arrivando nel Golfo della Thailandia20. Grandi quantità di pomice galleggiante possono danneggiare gli ecosistemi costieri e avere un impatto sull’economia16,18,21. Analisi geochimiche e petrologiche della pomice alla deriva hanno mostrato che, nonostante i loro colori variabili (grigio, ambra, marrone e nero), hanno composizioni trachitiche quasi omogenee con contenuti di SiO2 e Na2O + K2O rispettivamente del 60–65 e dell'8–10% in massa18 . Sebbene i clasti di pomice depositati abbiano subito diversi processi di abrasione ed eliminazione durante la deriva per > 1000 km e per 2 mesi, l'andamento generale del tipo di pomice, cioè la maggior parte è di tipo grigio, è rimasto lo stesso rispetto a quello osservato entro 10 giorni dalla eruzione sul mare16,19. Le pomici di diverso colore si presentano in clasti indipendenti oppure riunite in un unico clasto con confini graduali o netti. Una caratteristica notevole della pomice FOB è la frequente presenza di piccoli volumi di pomice nera mentre la maggior parte era pomice grigia. La pomice nera ha una composizione simile alla pomice grigia che costituisce la maggior parte del deposito, sebbene abbiano microtessiture diverse. La microscopia Raman ha mostrato che il vetro marrone nella pomice nera contiene nanoliti di magnetite che hanno aumentato la viscosità del fuso e quindi hanno svolto un ruolo nell'eruzione esplosiva FOB del 202118.