Les bulles microscopiques peuvent raconter des histoires sur les plus grandes éruptions volcaniques de la Terre et des géoscientifiques de l'Université Rice et de l'Université du Texas à Austin ont découvert que certaines de ces histoires sont écrites dans des nanoparticules.

Dans une étude en libre accès publiée en ligne dans Communication Nature , Sahand Hajimirza et Helge Gonnermann de Rice et James Gardner d'UT Austin ont répondu à une question de longue date sur les éruptions volcaniques explosives comme celles du mont St. Helens en 1980, le mont Pinatubo aux Philippines en 1991 ou le mont Chaitén au Chili en 2008.

Les géoscientifiques ont longtemps cherché à utiliser de minuscules bulles dans la lave et les cendres en éruption pour reconstruire certaines des conditions, comme la chaleur et la pression, qui se produisent dans ces puissantes éruptions. Mais il y a eu une déconnexion historique entre les modèles numériques qui prédisent le nombre de bulles qui se formeront et les quantités réelles de bulles mesurées dans les roches en éruption.

Hajimirza, Gonnermann et Gardner ont travaillé pendant plus de cinq ans pour concilier ces différences pour les éruptions pliniennes. Nommé en l'honneur de Pline le Jeune, l'auteur romain qui a décrit l'éruption qui a détruit Pompéi en 79 après JC, Les éruptions pliniennes sont parmi les événements volcaniques les plus intenses et les plus destructeurs.

"L'intensité de l'éruption fait référence à la fois à la quantité de magma qui a éclaté et à la rapidité avec laquelle il sort, " dit Hajimirza, chercheur postdoctoral et ancien Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Gonnermann au Département de la Terre de Rice, Sciences environnementales et planétaires. "L'intensité typique des éruptions pliniennes varie d'environ 10 millions de kilogrammes par seconde à 10 milliards de kilogrammes par seconde. Cela équivaut à 5, 000 à 5 millions de camionnettes par seconde."

Les scientifiques peuvent évaluer la vitesse de montée du magma en étudiant des bulles microscopiques dans la lave et les cendres en éruption. Comme des bulles dans du champagne débouché, les bulles de magma sont créées par une diminution rapide de la pression. Dans le magma, cela provoque l'échappement de l'eau dissoute sous forme de bulles de gaz.

« Au fur et à mesure que le magma monte, sa pression diminue, " dit Hajimirza. " A un moment donné, il atteint une pression à laquelle l'eau est saturée, et une décompression supplémentaire provoque une sursaturation et la formation de bulles."

Comme l'eau s'échappe sous forme de bulles, la roche en fusion devient moins saturée. Mais si le magma continue de monter, la diminution de la pression augmente la saturation.

"Ce retour détermine le nombre de bulles qui se forment, " dit Hajimirza. " Plus vite le magma monte, plus le taux de décompression et la pression de sursaturation sont élevés, et plus les bulles nucléées sont abondantes."

Dans les éruptions pliniennes, tellement de magma monte si vite que le nombre de bulles est stupéfiant. Lorsque le mont St. Helens est entré en éruption le 18 mai, 1980, par exemple, il a craché plus d'un kilomètre cube de roche et de cendres en neuf heures, et il y avait environ un million de milliards de bulles dans chaque mètre cube de ce matériau en éruption.

"Le total des bulles serait d'environ un septillon, " dit Hajimirza. " C'est un un suivi de 24 zéros, ou environ 1, 000 fois plus que tous les grains de sable de toutes les plages de la Terre."

Dans son doctorat. études, Hajimirza a développé un modèle prédictif pour la formation de bulles et a travaillé avec Gardner pour tester le modèle dans des expériences à UT Austin. La nouvelle étude s'appuie sur ces travaux en examinant comment des cristaux de magnétite ne dépassant pas quelques milliardièmes de mètre pourraient modifier la formation des bulles à différentes profondeurs.

"Quand les bulles nucléent, ils peuvent se former en liquide, que nous appelons nucléation homogène, ou ils peuvent nucléer sur une surface solide, que nous appelons hétérogène, " a déclaré Hajimirza. " Un exemple de la vie quotidienne serait de faire bouillir une casserole d'eau. Lorsque des bulles se forment au fond du pot, plutôt que dans l'eau liquide, c'est la nucléation hétérogène."

Les bulles du fond du pot sont souvent les premières à se former, car la nucléation hétérogène et homogène commence généralement à des températures différentes. Dans la montée du magma, la formation de bulles hétérogènes commence plus tôt, à des niveaux de sursaturation inférieurs. Et les surfaces où les bulles nucléent sont souvent sur de minuscules cristaux.

"Dans quelle mesure ils facilitent la nucléation dépend du type de cristaux, " dit Hajimirza. " Magnétites, en particulier, sont les plus efficaces."

Dans l'étude, Hajimirza, Gonnermann et Gardner ont incorporé la nucléation médiée par la magnétite dans des modèles numériques de formation de bulles et ont découvert que les modèles produisaient des résultats en accord avec les données d'observation des éruptions pliniennes.

Hajimirza a déclaré que les magnétites sont probablement présentes dans tout le magma plinien. Et bien que les recherches précédentes n'aient pas révélé suffisamment de magnétites pour expliquer toutes les bulles observées, des études antérieures ont peut-être manqué de petits nanocristaux qui ne seraient révélés qu'avec la microscopie électronique à transmission, une technique rarement utilisée qui devient seulement maintenant plus largement disponible.

Pour savoir si c'est le cas, Hajimirza, Gonnermann et Gardner ont appelé à une « recherche systématique de nanolites de magnétite » dans le matériel des éruptions pliniennes. Cela fournirait des données d'observation pour mieux définir le rôle des magnétites et de la nucléation hétérogène dans la formation des bulles, et pourrait conduire à de meilleurs modèles et à de meilleures prévisions volcaniques.

"La prévision des éruptions est un objectif à long terme pour les volcanologues, mais c'est difficile car nous ne pouvons pas observer directement les processus souterrains, " a déclaré Hajimirza. " L'un des grands défis de la science des volcans, comme indiqué par les académies nationales en 2017, améliore la prévision des éruptions par une meilleure intégration des données d'observation dont nous disposons avec les modèles quantitatifs, comme celui que nous avons développé pour cette étude.