تطوير النفاذية الديناميكية المحسّنة بالقص للماجما المتشكّلة في قنوات أسطوانية

لماذا تهم الفقاعات في الحمم البركانية

تحفّز الانفجارات البركانية غازات محبوسة داخل الصخر المنصهر. ما إذا كان البركان ينساب باللابة بهدوء أو يقذف الرماد عالياً يعتمد إلى حد كبير على مدى سهولة تسرب تلك الغازات. تستكشف هذه الدراسة كيف تتّصل الفقاعات داخل ماجما لزجة وغنية بالغاز ببعضها البعض ومع الخارج، مما يحوّل الصخر من إسفنج يحجز الغاز إلى رغوة مسربة. يساعد فهم هذا التحوّل في تفسير سبب كون بعض الانفجارات متفجّرة في حين تكون أخرى هادئة نسبياً.

فقاعات ترتفع داخل أنبوب صخري

داخل البركان، غالباً ما تصعد الماجما عبر قنوات أسطوانية تقريباً—أنابيب صخرية يمكن أن تكون بعرض أمتار. مع انخفاض الضغط أثناء الصعود، يخرج الماء المذاب وغازات أخرى من المحلول، مشكلة فقاعات. عندما تلامس وتترابط كمية كافية من هذه الفقاعات، يمكن للغاز أن يتخلّل الماجما ويهرب. اقترحت أعمال سابقة أن جزءاً كبيراً جداً من حجم الماجما—غالباً أكثر من النصف—يجب أن يكون فقاعات قبل أن تتكوّن مثل هذه المسارات. لكن تلك التقديرات أغفلت عادة مدى الشدّ الذي يتعرض له الماجما أثناء حركتها بفعل احتكاكها بجدران القناة. سعى المؤلفون لإعادة خلق هذا الموقف في المختبر باستخدام أوبسيديان ريواليت حقيقي، زجاج بركاني طبيعي، لمعرفة كيف يغيّر القص العتبة التي يصبح عندها الغاز قادراً على التدفق بحرية.

براكين مخبرية مصغّرة

حفرت الفريق نواتج أسطوانية صغيرة من الأوبسيديان وسخّنها حتى بدأت الفقاعات بالنمو. في مجموعة من التجارب سُمح للعينات بالتمدد بحرية، محاكيةً ماجما لا تُضغط بشدّة من قبل محيطها. في مجموعة أخرى، وُضع كل أسطوانة زجاجية داخل أنبوب بازلت أسمك له قطر داخلي أكبر قليلاً، مما أجبر الماجما المحملة بالفقاعات على التوسع جانبياً حتى تلامس الأنبوب، ثم إلى الأعلى في الغالب. من خلال تغيير الفجوة بين العينة والأنبوب، سيطر الباحثون على مدى سرعة بدء القص ومدى قوته. طيلة فترة التسخين والحفظ، راقبوا مقدار انتفاخ العينات، وعدد الفقاعات المتشكلة، وكيف تغيرت أشكال تلك الفقاعات، ومدى سهولة تحرّر الغاز عبر الشبكة الناتجة.

كيف يفتح شدّ الفقاعات مسارات للهروب

تكشف التجارب عن فرق حاد بين الماجما الهادئة والماجما المعرضة للقص. عندما توسعت العينات بحرية، بقيت الفقاعات شبه دائرية وحتى عند محتويات فقاعية عالية جداً—حتى نحو ثلاثة أرباع الحجم—ظلت الماجما فعلياً غير منفذة للغاز، ذات نفاذية منخفضة للغاية. لكن بمجرد تقديم القص عبر التضييق، تغيّر المشهد. قرب الحواف، امتدت الفقاعات بسرعة إلى أشكال ممدودة محاذية للتدفق، وبدأت الفقاعات المجاورة تلامس وتندمج. في العينات ذات القص المعتدل، ظهرت مسارات غازية مهمة بمجرد أن لامست الماجما المحملة بالفقاعات جدران الحاوية، عند كسور فقاعية تقارب 60–70 بالمئة. في حالات القص الأقوى، تأسست الاتصالات عند محتويات فقاعية أقل بكثير، أحياناً دون 20 بالمئة، رغم أن هذه المسارات المبكرة كانت أقل نفاذية بشكل عام.

توازن ديناميكي بين اكتساب وفقدان الغاز

لم ترتفع النفاذية في العينات المعرضة للقص ببساطة مع الزيادة في إجمالي كمية الفقاعات. بل اعتمدت على أي جزء من الفراغ المسامي كان متصلاً فعلياً، وكذلك على أحجام وأشكال البوابات الضيقة التي تربط بين الفقاعات. بمجرد تكوّن المسارات، بدأ الغاز يهرب عبر مناطق ممزقة من «قشرة» زجاجية كثيفة تغلف العينات. جمع المؤلفون قياساتهم مع نموذج لنمو الفقاعات لإعادة بناء كيفية تطور النفاذية الكلية عبر الزمن عند درجات حرارة عالية. وجدوا أنه في حالات التضييق اللطيف، سمحت الاتصالات الناجمة عن القص للهروب الغازي بسرعة تكفي لموازنة نمو الفقاعات، مما أدى إلى حالة عابرة ذات تنظيم ذاتي. في حالات التضييق الشديد، استمر نمو الفقاعات حتى بعد الوصول إلى الاتصال، ولكن بوتيرة أبطأ، مما يبيّن أن ربط الفقاعات لا يفرغ الغاز فوراً من الماجما اللزجة بالضرورة.

ما يعنيه هذا للثورانات الحقيقية

بالنسبة للقنوات البركانية الطبيعية، تشير هذه النتائج إلى أن حتى القص الطفيف يمكن أن يخفض بشدة محتوى الفقاعات المطلوب لتخلّل الغاز، وأن الاتصالات التي تتشكل يمكن أن تستمر حتى عندما تسترخي الفقاعات لاحقاً إلى أشكال أكثر دائرية. ومع ذلك، يتطلب التفريغ الفعّال للغاز أيضاً مسارات مستمرة تصل إلى الصخور المحيطة وفروق ضغط لتحفيز الجريان. لذلك، يتحكم الانتقال من سلوك تفجيري إلى انسيابي في الثورانات السيلسية ليس فقط بعدد الفقاعات الحاضرة، بل بكيفية ضغط الماجما وشدّها داخل القناة وكيفية اتصال مسارات غازها بنظام توصيلات البركان الأوسع.

الاستشهاد: Birnbaum, J., Schauroth, J., Weaver, J. et al. Shear-enhanced dynamic permeability development of magma vesiculating in cylindrical conduits. Sci Rep 16, 9838 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43344-8

الكلمات المفتاحية: نفاذية الماجما, تحرّر الغازات البركاني, شبكات الفقاعات, نمط الثوران, ماجما ريواليتية