Sviluppo di permeabilità dinamica aumentata dal taglio in magma che vesicola in condotti cilindrici

Perché le bolle nella lava sono importanti

Le eruzioni vulcaniche sono alimentate dai gas intrappolati nella roccia fusa. Se un vulcano colerà lava dolcemente o lancerà cenere in alto nell’atmosfera dipende in larga misura da quanto facilmente quel gas può fuoriuscire. Questo studio esplora come le bolle all’interno di un magma viscoso e ricco di gas si connettono tra loro e con l’esterno, trasformando la roccia da una spugna che intrappola gas in una schiuma che perde. Comprendere questo cambiamento aiuta a spiegare perché alcune eruzioni sono esplosive mentre altre sono relativamente tranquille.

Bollicine che salgono in un tubo roccioso

All’interno di un vulcano, il magma spesso risale attraverso condotti approssimativamente cilindrici—tubi rocciosi che possono essere larghi metri. Con la diminuzione della pressione durante la risalita, l’acqua disciolta e altri gas escono dalla soluzione formando bolle. Quando un numero sufficiente di queste bolle entra in contatto e si collega, il gas può percolare attraverso il magma ed evaporare. Studi precedenti sostenevano che sia necessaria una frazione volumetrica molto elevata di bolle—spesso oltre la metà—prima che si formino tali percorsi. Ma quelle stime di solito ignoravano quanto il magma in movimento venga fortemente tagliato, o allungato, dallo sfregamento contro le pareti del condotto. Gli autori hanno voluto ricreare questa situazione in laboratorio usando vera ossidiana riolitica, un vetro vulcanico naturale, per vedere come il taglio modifichi la soglia alla quale il gas può fluire liberamente.

Vulcani in miniatura in laboratorio

Il team ha trivellato piccoli nuclei cilindrici di ossidiana e li ha riscaldati finché le bolle non hanno iniziato a crescere. In un set di esperimenti i campioni sono stati lasciati espandere liberamente, imitando un magma non fortemente compresso dall’ambiente circostante. In un altro set, ogni cilindro di vetro è stato inserito all’interno di un tubo di basalto più spesso con un diametro interno leggermente maggiore, costringendo il magma pieno di bolle ad espandersi lateralmente finché non toccava il tubo, e quindi principalmente verso l’alto. Modificando la distanza tra campione e tubo, i ricercatori hanno controllato quando iniziava il taglio e quanto fosse intenso. Durante il riscaldamento e il mantenimento della temperatura hanno monitorato quanto i campioni si rigonfiavano, quante bolle si formavano, come cambiavano forma quelle bolle e quanto facilmente il gas poteva muoversi attraverso la rete risultante.

Come l’allungamento delle bolle apre vie di fuga

Gli esperimenti rivelano un netto contrasto tra magma calmo e magma sottoposto a taglio. Quando i campioni si espandevano liberamente, le bolle restavano quasi sferiche e, anche a contenuti di bolle molto elevati—fino a circa tre quarti del volume—il magma rimaneva sostanzialmente ermetico, con permeabilità estremamente bassa. Una volta introdotto il taglio per confinamento, però, lo scenario cambiava. Presso i margini, le bolle venivano rapidamente allungate in forme allungate allineate al flusso, e le bolle vicine cominciavano a toccarsi e fondersi. Nei campioni sottoposti a taglio moderato, percorsi significativi per il gas apparivano non appena il magma bolleggiato sfiorava le pareti del contenitore, a frazioni di bolle intorno al 60–70 percento. Nei casi a taglio più intenso, la connettività si stabiliva a contenuti di bolle molto più bassi, talvolta sotto il 20 percento, sebbene questi primi percorsi fossero complessivamente meno permeabili.

Un equilibrio dinamico tra guadagno e perdita di gas

La permeabilità nei campioni sottoposti a taglio non aumentava semplicemente con la quantità totale di bolle. Dipendeva invece da quale porzione dello spazio pore fosse effettivamente connessa, e dalle dimensioni e forme delle strette “gole” che collegano le bolle. Una volta formati i percorsi, il gas ha cominciato a sfuggire attraverso zone lacerate della densa “buccia” esterna di vetro che riveste i campioni. Gli autori hanno combinato le misure con un modello di crescita delle bolle per ricostruire come la permeabilità globale evolveva nel tempo ad alta temperatura. Hanno scoperto che nei casi a lieve confinamento la connettività innescata dal taglio permetteva la fuga del gas giusto abbastanza velocemente da bilanciare la crescita delle bolle, portando a uno stato transitorio di autoregolazione. Nei casi a forte confinamento, la crescita delle bolle continuava anche dopo che la connettività era stata raggiunta, ma a un ritmo più lento, mostrando che il collegamento delle bolle non drena automaticamente il gas istantaneamente dal magma viscoso.

Cosa significa per le eruzioni reali

Per i condotti vulcanici naturali, questi risultati implicano che anche un taglio modesto può ridurre drasticamente il contenuto di bolle richiesto perché il gas percoli, e che una volta che si formano connessioni possono persistere anche mentre le bolle successivamente ritornano a forme più tondeggianti. Tuttavia, un’efficace degassificazione richiede anche percorsi continui fino alla roccia circostante e una differenza di pressione che spinga il flusso. Di conseguenza, il passaggio da un comportamento esplosivo a uno effusivo nelle eruzioni siliciche è controllato non solo da quante bolle sono presenti, ma da come il magma viene compresso e allungato all’interno del condotto e da come le sue vie di gas si collegano al più ampio sistema di condotte vulcaniche.

Citazione: 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

Parole chiave: permeabilità del magma, degassificazione vulcanica, reti di bolle, stile eruttivo, magma riolitico