Усиленное сдвигом развитие динамической проницаемости при образовании пузырьков в магме в цилиндрических каналах

Почему пузыри в лаве имеют значение

Вулканические извержения питаются газом, запертым в раскаленной породе. То, будет ли вулкан медленно вытекать лавой или выбрасывать золу высоко в небо, во многом зависит от того, насколько легко этот газ может выйти наружу. В этом исследовании изучается, как пузыри в вязкой, богатой газом магме соединяются друг с другом и с окружающим миром, превращая породу из удерживающей газ губки в проницаемую пену. Понимание этого перехода помогает объяснить, почему некоторые извержения бывают взрывными, а другие — относительно спокойными.

Пузыри, поднимающиеся по «каменной трубе»

Внутри вулкана магма часто поднимается по примерно цилиндрическим каналам — каменным трубам метровой ширины. По мере снижения давления при подъеме растворенная вода и другие газы выделяются из расплава и образуют пузыри. Когда достаточное число пузырей соприкасается и соединяется, газ может перколировать через магму и уходить наружу. Ранее считали, что для образования таких путей требуется очень большая доля объема магмы — часто более половины. Но те оценки обычно игнорировали, насколько сильно движущуюся магму деформирует сдвиг от трения о стенки канала. Авторы поставили задачу воссоздать эту ситуацию в лаборатории, используя настоящий риолитовый обсидиан — природное вулканическое стекло — чтобы выяснить, как сдвиг меняет порог, при котором газ может свободно вытекать.

Лабораторные вулканы в миниатюре

Команда просверлила небольшие цилиндрические керны из обсидиана и нагрела их до начала роста пузырей. В одном наборе экспериментов образцы могли расширяться свободно, имитируя магму, которую слабо сжимают окружающие породы. В другом — каждый стеклянный цилиндр помещали в более толстую базальтовую трубку с чуть большим внутренним диаметром, заставляя пузырящуюся магму расширяться вбок до соприкосновения со стенкой, а затем преимущественно вверх. Изменяя зазор между образцом и трубкой, исследователи контролировали, когда начнется сдвиг и насколько он будет силён. В течение всего периода нагрева и выдержки они отслеживали, насколько образцы разбухали, сколько образовывалось пузырей, как менялась форма пузырьков и насколько легко газ мог проходить через полученную сеть.

Как растяжение пузырьков открывает пути для выхода

Эксперименты показали резкое различие между спокойной и деформируемой сдвигом магмой. При свободном расширении пузырьки оставались почти круглыми и даже при очень больших долях пузырьков — до примерно трех четвертей объема — магма оставалась практически герметичной, с чрезвычайно низкой проницаемостью. Однако при введении сдвига через ограничение картина изменилась. У краев пузырьки быстро вытягивались в продолговатые формы, выровненные по направлению потока, и соседние пузыри начинали соприкасаться и сливаться. В образцах со средним уровнем сдвига значимые газовые пути появлялись сразу после того, как пузырящаяся магма касалась стенок сосуда, при доле пузырьков около 60–70 %. В случаях с самым сильным сдвигом связность устанавливалась при значительно меньших долях пузырьков, иногда ниже 20 %, хотя такие ранние пути в целом были менее проницаемы.

Динамическое равновесие между приростом и потерей газа

Проницаемость в деформированных образцах не просто возрастала с общим количеством пузырьков. Вместо этого она зависела от того, какая часть порового пространства действительно была связана, а также от размеров и форм узких «горлышек», связывающих пузыри. После образования путей газ стал выходить через разорванные участки плотной внешней «корки» стекла, покрывающей образцы. Авторы объединили свои измерения с моделью роста пузырей, чтобы восстановить, как менялась массовая проницаемость во времени при высокой температуре. Они обнаружили, что в случаях слабого ограничения связность, вызванная сдвигом, позволяла газу убегать ровно настолько быстро, чтобы уравновесить рост пузырьков, создавая временное саморегулирующееся состояние. В сильно ограниченных случаях рост пузырей продолжался и после установления связности, но с меньшей скоростью, что показывает: соединение пузырьков не означает мгновенного стока газа из вязкой магмы.

Что это значит для реальных извержений

Для природных вулканических каналов эти результаты означают, что даже умеренный сдвиг может значительно снизить долю пузырьков, необходимую для перколяции газа, и что после установления связей они могут сохраняться, даже если пузыри затем снова округляются. Тем не менее эффективное отторжение газа также требует непрерывных путей до окружающих пород и градиента давления для приведения потока в движение. Таким образом переход от взрывного к эфузионному поведению в силициевых извержениях контролируется не только количеством пузырьков, но и тем, как магма сжимается и растягивается в канале и как её газовые пути связаны с более широкой вулканической системой.»

Цитирование: 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

Ключевые слова: проницаемость магмы, вулканическое дегазирование, сети пузырьков, стиль извержения, риолитовая магма