Siły Ścinające, a Nie Tylko Spadek Ciśnienia, Inicjują Formowanie Pęcherzyków Magmy

Przez dziesięciolecia dominujący konsensus naukowy zakładał, że pęcherzyki gazu, które napędzają erupcje wulkaniczne, powstają wyłącznie w wyniku spadku ciśnienia towarzyszącego wznoszeniu się magmy ku powierzchni. Ta tradycyjna interpretacja została zakwestionowana przez przełomowe badania opublikowane w 2025 roku przez międzynarodowy zespół badawczy. Wśród kluczowych postaci zaangażowanych w projekt znaleźli się naukowcy z ETH Zurich, w tym profesor Olivier Bachmann, którzy wykazali bardziej złożoną rzeczywistość procesów zachodzących w magmie.

Odkrycie to koncentruje się na roli sił ścinających, generowanych przez różnicowe przemieszczanie się magmy wewnątrz kanałów wulkanicznych, zwłaszcza w strefach największego tarcia, blisko ścianek przewodów. Badania te sugerują, że sam ruch i deformacja nasyconej gazem magmy może inicjować nukleację pęcherzyków, nawet bez znaczącej zmiany ciśnienia otoczenia. Nukleacja, czyli zarodkowanie, jest początkowym etapem przemiany fazowej, a w tym przypadku powstają zarodki nowej fazy gazowej.

Aby zweryfikować tę hipotezę, naukowcy skonstruowali system analogowy, wykorzystując polimer pod ciśnieniem, nasycony dwutlenkiem węgla (CO2), co stanowiło substytut naturalnej magmy. W obszarach charakteryzujących się wysokim naprężeniem mechanicznym zaobserwowano spontaniczne tworzenie się pęcherzyków po zastosowaniu kontrolowanego ścinania. W rezultacie tych eksperymentów wprowadzono nowy mechanizm nukleacji, nazwany nukleacją indukowaną ścinaniem, który uzupełnia dotychczasowy proces dekompresyjny.

Kluczowym spostrzeżeniem jest fakt, że krytyczne naprężenie ścinające wymagane do zainicjowania formowania się pęcherzyków maleje proporcjonalnie do wzrostu koncentracji rozpuszczonego gazu w magmie. W kontekście wulkanologii, odkrycie to ma dalekosiężne implikacje, potencjalnie wyjaśniając, dlaczego magmy wysoce lepkie i bogate w substancje lotne czasami prowadzą do erupcji efuzyjnych, czyli spokojnych wylewów lawy, zamiast gwałtownych eksplozji. Ten mechanizm wczesnego tworzenia pęcherzyków pod wpływem ścinania pozwala na progresywne uwalnianie gazu, co skutkuje obniżeniem ciśnienia wewnętrznego, zanim magma dotrze do stref krytycznego rozprężania, łagodząc zachowanie erupcyjne.

Wcześniejsze badania nad teksturą pęcherzyków, wykorzystywane do szacowania tempa wznoszenia się magmy, mogą być teraz obarczone błędem, jeśli mechanizm nukleacji indukowanej ścinaniem jest istotny w danym systemie wulkanicznym. Badanie, częściowo kierowane przez Oliviera Roche, podkreśla pilną potrzebę aktualizacji modeli predykcji zagrożeń wulkanicznych, aby uwzględnić wpływ sił ścinających w kanałach wulkanicznych. Chociaż w badaniach nie wykorzystano rzeczywistej magmy, ekstrapolacje na naturalne warunki geologiczne wskazują na istotność tego mechanizmu, zwłaszcza w systemach z magmami silnie nasyconymi lotnymi składnikami.

Nowe zrozumienie procesu nukleacji może pomóc w lepszym modelowaniu przejścia między skrajnymi typami erupcji, takimi jak te na Hawajach (niska lepkość, erupcje efuzywne) a erupcjami typu Plinian (wysoka lepkość, zdarzenia eksplozywne). Badania te otwierają nowy rozdział w geologii wulkanicznej, zmuszając do rewizji interpretacji zapisów geologicznych i tempa migracji magmy pod powierzchnią Ziemi.