Наблюдение за стеклом на месте

Коммуникации Земля и окружающая среда, том 4, Номер статьи: 155 (2023) Цитировать эту статью

650 доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Вулканический пепел, образующийся в результате фрагментации магмы, наносит ущерб инфраструктуре и окружающей среде. Расширение пузырьков имеет решающее значение для фрагментации магмы, но извержения низкой интенсивности часто выбрасывают пепел с меньшим количеством пузырьков. Здесь мы провели эксперименты по растяжению силикатного расплава при высокой температуре, при которой расплав удлиняется или разрушается в зависимости от скорости деформации. Разрушение происходит путем появления трещины на расплавленном силикатном стержне с последующим образованием мелких фрагментов. Поверхность излома демонстрирует дихотомию гладких и шероховатых областей, аналогичную той, которая наблюдается на поверхностях излома стекла при комнатной температуре. В области шероховатой поверхности образуются мелкие фрагменты. Интересно, что измеренные кривые растяжения-деформации показывают, что фрагментация происходит при вязкой деформации. Эти результаты позволяют предположить, что силикат плавится при вязком деформационном фрагменте, как это происходит со стеклом при комнатной температуре. Пластичность вокруг вершины трещины способствует зарождению и слиянию пустот, вызывая разветвление трещины с образованием плотного мелкого вулканического пепла.

Фрагментация магмы является ключевым механизмом, определяющим, являются ли извержения взрывными1,2. Взрывные извержения производят вулканический пепел, который влияет на окружающую среду и человеческое общество3,4. Размер, распределение и форма пепла влияют на его рассеивание и время пребывания в атмосфере. Фрагментированные магмы имеют различные размеры и морфологию в зависимости от их состава и стиля извержения5,6,7,8,9,10,11,12. Анализ вулканического пепла обнаруживает различные формы; в некоторых пеплах сохраняются пузырьки, которые присутствовали до фрагментации, тогда как в других пузырьков нет5,6,8. Пепел, образовавшийся в результате взрывов пепла после стромболианских извержений и вулканических извержений, относительно плотный и содержит мало пузырьков13,14,15,16,17. Вулканические извержения образуют относительно более мелкий пепел, чем другие эксплозивные извержения с аналогичными площадями рассеивания18,19.

Магма является вязкой жидкостью, но может хрупко фрагментироваться, когда деформация быстрая по сравнению с масштабом времени релаксации20,21,22. Число Деборы De \(={\tau }_{{{{{{{{\rm{c}}}}}}}}\cdot \dot{\gamma }\), характеризует временной масштаб деформация относительно времени релаксации, где \(\dot{\gamma }\) — скорость деформации, а τc = η0/G∞ — время релаксации. Здесь η0 — сдвиговая вязкость при нулевой скорости деформации, G∞ — модуль сдвига при бесконечно высокой скорости деформации. Эксперимент по удлинению расплава показывает, что De > 0,01 является порогом хрупкой фрагментации23. Этот порог также применим к кристаллам, содержащим магму24. Более поздние расчеты показывают, что 0,01 < De < 0,04 является переходным, а De > 0,04 вызывает хрупкое разрушение22. Интересно, что De = 0,01 находится в режиме, когда скорость деформации достаточно мала \(\dot{\gamma } \, < \, 1/{\tau }_{{{{{{{{\rm{c}} }}}}}}}\) вызывает вязкую деформацию, но наблюдается твердоподобная фрагментация. Этот порог широко используется для моделирования фрагментации магмы в канале25,26,27. Хрупкое разрушение увеличивает пористость и проницаемость, влияя на стиль извержения28. Реология магмы зависит от скорости деформации23,29. Однако реология во время фрагментации еще не была измерена напрямую. Быстрая деформация приводит к развитию напряжений в расплаве, окружающем пузырьки магмы30. Эксперименты по быстрой декомпрессии типа ударной трубы показывают, что пузырьковая магма подвергается хрупкому фрагментированию, когда произведение избыточного давления и объемной доли пузырьков превышает критическое значение ΔPφ > σ031. Меньшие фрагменты образуются при больших ΔPφ32,33. Согласно этому масштабированию, фрагментация вызвана газовой фазой под давлением в уже существовавших пузырьках. Неясно, может ли этот механизм образовывать плотный вулканический пепел, образующийся в результате стромболианских и вулканических извержений, с небольшим количеством пузырьков и не сопровождающийся пемзой / шлаками.

\, 0.01\). Here, the low-temperature experiments were not conducted in a wide range of strain rates, and the relaxation time was estimated from the measured viscosity for each experiment. The viscosity at zero strain rate can be larger, which can also increase τc, as indicated by arrows (Fig. 8c)./p> \, 0.01/{\tau }_{{{{{{{{\rm{c}}}}}}}}}\) is in the elastic deformation regime, different from previous models based on the Maxwell model and rheology measurements at small strain amplitudes (Supplementary Fig. 3a, b). We thus consider the prefactor of 0.01 used for the fragmentation threshold can vary with the strain, strain rate, and geometry of deformation (for details, see the “Methods” section). In the previous experiments, fragmentation is not reported in the regime of \(\dot{\gamma } \, < \, 0.01/{\tau }_{{{{{{{{\rm{c}}}}}}}}}\), but it occurs in our experiments (Fig. 8c). This discrepancy may arise because previous experiments in the viscous regime have been conducted under compression/shear deformation22,24 while we elongated the rod samples. The tensional deformation efficiently makes voids to be nucleation sites of cracks, causing fragmentation of viscously deforming melt./p> 1, a Maxwell fluid is liquid-like and solid-like, respectively, and viscoelastic characteristics are observed around ωτc ~ 1. Using Eq. (3), we can calculate the complex modulus \(| {E}^{* }| ={({E}^{{\prime} 2}+{E}^{{\prime\prime} 2})}^{1/2}\) and complex viscosity ∣η*∣ = ∣E*∣/(3ω), which depend on ω as shown in Supplementary Fig. 2b. For ωτc < 1, the complex Young’s modulus increases with increasing ω, whereas, for ωτc > 1, the complex shear viscosity decreases. As a result, the ratio 3∣η*∣/∣E*∣, which is similar to the time scale of τ ~ 3η/E, also depends on ω as 3∣η*∣/∣E*∣ ∝ ω−1. Polymer melts and solutions often exhibit similar dependence on the strain rate and angular frequency, which is known as the “Cox–Merz ruls.” That is, the complex viscosity as a function of frequency is almost identical to the shear viscosity as a function of strain rate: \(| {\eta }^{* }| (\omega ) \sim \eta (\dot{\gamma })\). According to this analogy, \(| {E}^{* }| (\omega ) \sim E(\dot{\gamma })\)./p> \, 0.01/{\tau }_{{{{{{{{\rm{c}}}}}}}}}\)20. We here discuss using 0.01 for simplicity, although the prefactor may have a range from 0.01 to 0.0422. We estimate τc from Supplementary Fig. 3a, b and summarize the results in Table 1. We assume that the measured maximum values for each material are the same as the infinite values. For most of the soda glasses, η0 ~ 1.1 × 1010 Pa s and E∞ ~ 24 GPa; for the haploandesite, η0 ~ 2.4 × 109 Pa s and E∞ ~ 23 GPa. Consequently, τc ~ 1.3 s and τc ~ 0.31 s, respectively. For the cold glass and glass with preheating at 820 °C, we do not have data showing the strain rate dependence; therefore, we used τ ~ τc./p> \, 0.01/{\tau }_{{{{{{{{\rm{c}}}}}}}}}\). Note that the τc2 obtained by small amplitude oscillatory measurements is consistent with the ordinary relaxation time, τc2 = τc (Cox-Merz rule). At the small amplitude rheology measurements, the non-Newtonian behaviour becomes apparent at a time scale of 100τc, which has been interpreted as the origin of the prefactor 0.0120,22. However, glass rheology depends on deformation amplitude and strain rate62. The deformation geometry also can affect the rheology of a complex fluid. We thus infer that the “Cox-Merz rule” breaks with large strain at a high strain rate under the extensional geometry. The prefactor of 0.01 can depend on the strain, strain rate, and deformation geometry./p>

Новости