התפתחות חדירות דינמית מוגברת-גזירה במאגמה שמצמיחה שלפוחיות במעברים גליליים

מדוע השלפוחיות בלבה חשובות

התפרצויות געשיות מונעות על ידי הגז הכלוא בתוך סלע מותך. האם הר הגעש מזרם לבה בעדינות או מוציא אפר גבוה לשמיים תלוי במידה רבה עד כמה הגז יכול לברוח החוצה בקלות. המחקר הזה בוחן כיצד שלפוחיות בתוך מאגמה דביקה ועשירה בגז מתקשרות זו עם זו ועם החוץ, והופכות את הסלע מספוג שומר-גזים לקצף דולף. הבנת השינוי הזה מסייעת להסביר מדוע חלק מההתפרצויות פרוצות בעוד אחרות שקטות יחסית.

שלפוחיות העולות בתוך צינור סלעי

בתוך הר געש, מאגמה לעתים עולה דרך תעלות גליליות—"צינורות" סלעיים שיכולים להיות ברוחב של מטרים. ככל שהלחץ יורד במהלך העלייה, מים מומסים וגזים אחרים יוצאים מהפתרון ויוצרים שלפוחיות. כשמספיק שלפוחיות נוגעות ומתקשרות זו לזו, גז יכול לפרקולציה דרך המאגמה ולברוח. עבודות קודמות הציעו שאחוז מאוד גבוה מנפח המאגמה—לעתים מעל למחצית—נדרש להימצא כשלפוחיות כדי שדרכים כאלה יתפתחו. אך ההערכות האלה בדרך כלל התעלמו עד כמה המאגמה הנעה נתונה לגזירה, כלומר למתיחה, כתוצאה מחיכוך בקירות התעלה. המחברים ניסו לשחזר מצב זה במעבדה באמצעות אובסידיאן ריוליטי אמיתי, זכוכית געשית טבעית, כדי לבדוק כיצד גזירה משנה את הסף שבו הגז יכול לזרום בחופשיות.

הר געש במעבדה בממדים מיניאטוריים

הצוות קדח גרעינים גליליים קטנים מאובסידיאן וחימם אותם עד שהשלפוחיות החלו לצמוח. בקבוצת ניסויים אחת אפשרו לדגימות להתרחב בחופשיות, חיקוי של מאגמה שאינה נדחסת חזק על ידי הסביבה. בקבוצה אחרת הוכנס כל גליל זכוכית לצינור בזלת עבה יותר עם קוטר פנימי מעט גדול יותר, וכך הוכרח המאגמה המכילה שלפוחיות להתרחב לצדדים עד שנגעה בצינור, ואז בעיקר כלפי מעלה. על ידי שינוי מרווח הגרעין-צינור, החוקרים שלטו מתי מתחילה הגזירה ועד כמה היא חזקה. לאורך תקופת החימום וההחזקה הם עקבו אחר כמה נופחו הדגימות, כמה שלפוחיות נוצרו, כיצד השתנו צורות השלפוחיות וכמה בקלות הגז יכול לנוע דרך הרשת שנוצרה.

כיצד מתיחת השלפוחיות פותחת נתיבי בריחה

הניסויים חושפים ניגוד חד בין מאגמה שקטה למאוגרת גזירה. כאשר הדגימות התרחבו בחופשיות, השלפוחיות נשארו כמעט עגולות ואף בתכיפות של שלפוחיות מאוד גבוהה—עד כשלושה רבעים מהנפח—המאגמה נשארה אפקטיבית אטומה לגז, עם חדירות נמוכה ביותר. אך כשהוכנסה גזירה על ידי כיווץ, התמונה השתנתה. בשוליים השלפוחיות נמתחו במהירות לצורות מוארכות המיושרות עם הזרימה, ושלפוחיות סמוכות החלו לגעת ולהתמזג. בדגימות עם גזירה בינונית, נתיבי גז משמעותיים הופיעו מיד כשהמאגמה שלפוחית נגעה בקירות המיכל, באחוזי שלפוחיות סביב 60–70 אחוז. במקרים של הגזירה החזקה ביותר, קישוריות הושגה בתכולות שלפוחיות נמוכות הרבה יותר, לפעמים מתחת ל-20 אחוז, אף על פי שדרכים אלו היו באופן כללי פחות חדירות.

איזון דינמי בין רווח וגודל הגז

החדירות בדגימות הגזורות לא עלתה פשוט עם הכמות הכוללת של השלפוחיות. במקום זאת, היא תלתה בחלק מרחב הנקבוביות שהיה מחובר בפועל, וכן בגודלם ובצורתם של הצווארים הצרים שמקשרים בין השלפוחיות. ברגע שנתיבים נוצרו, התחיל הגז לברוח דרך אזורים קרועים של "קליפה" חיצונית צפופה של הזכוכית המצפה את הדגימות. המחברים שילבו את המדידות שלהם עם מודל גידול שלפוחיות כדי לשחזר כיצד החדירות הכוללת התפתחה לאורך זמן בטמפרטורה גבוהה. הם מצאו שבהתני כיווץ עדינים, הקישוריות שנגרמה על ידי הגזירה אפשרה בריחת גז במהירות מספקת כדי לאזן את גידול השלפוחיות, והובילה למצב חולף של ויסות עצמי. במקרים של כיווץ חזק, גידול השלפוחיות נמשך אף אחרי שנוצרה הקישוריות, אבל בקצב איטי יותר, מה שמראה שקישור של שלפוחיות אינו מנקז אוטומטית את הגז מיד ממאגמה צמיגית.

מה המשמעות של זה להתפרצויות אמיתיות

לתעלות געשיות טבעיות, תוצאות אלו מרמזות שאפילו גזירה מתונה יכולה להוריד באופן דרמטי את תכולת השלפוחיות הנדרשת כדי שהגז יפרקולציה, ושהקשרים שנוצרים יכולים להישאר גם כאשר השלפוחיות מאוחר יותר מתרפות וחוזרות לצורות עגולות יותר. עם זאת, הוצאת גז יעילה דורשת גם נתיבים רציפים כל הדרך אל הסלע הסובב והפרש לחץ שייקח את הזרימה. לפיכך, המעבר מהתנהגות פרוצתית להתפרצות זוחלת בהתפרצויות סיליציות נשלט לא רק על ידי כמה שלפוחיות קיימות, אלא גם על ידי האופן שבו המאגמה נדחסת ונמתחת בתוך התעלה וכיצד נתיבי הגז שלה מתחברים למערכת ה"צנרת" הגעשית הרחבה יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: חדירות מאגמה, פליטת גזים געשית, רשתות שלפוחיות, אופי התפרצות, מאגמה ריוליטית