Ηφαίστεια:Μεγάλοι Εκπομποί Μετάλλων

Διοξείδιο του θείου (SO₂ ) και τα αλογόνα (HCl, HF, HBr) είναι τα πιο άφθονα όξινα είδη στα ηφαιστειακά λοφία, επηρεάζοντας τη δημόσια υγεία και σχηματίζοντας όξινη βροχή ήρεμα ηφαίστεια που μπορούν να σκοτώσουν τη βλάστηση και τις καλλιέργειες όπως στο ηφαίστειο Masaya στη Νικαράγουα (Delmelle et al., 2002, βίντεο UNRESP). Αυτά τα όξινα αέρια εκπέμπονται κατά τη διάρκεια εκρήξεων, αλλά και σε ηφαίστεια σε ηρεμία, όπου εκπέμπονται συνεχώς αέρια σχηματίζοντας τα λεγόμενα ηφαιστειακά λοφία, χωρίς να εκραγούν.

Οι εκπομπές αυτών των ειδών είναι αρκετά γνωστές και μελετημένες, κυρίως λόγω της μεγάλης τους ποσότητας. Λιγότερο προφανείς και μη μελετημένες είναι οι εκπομπές μετάλλων από ηφαίστεια ως αεροζόλ (δηλαδή στερεά σωματίδια). Αν και δεν θεωρούμε είδη όπως ο χαλκός ή ο μόλυβδος ως πτητικά (αέριο), μεταφέρονται αποτελεσματικά σε ηφαιστειακά αέρια μέσω του σχηματισμού αέριων συμπλεγμάτων (μορίων) με πιο πτητικά είδη όπως το SO₂ ή HCl. Για παράδειγμα, η Αίτνα, η οποία είναι μία από τις μεγαλύτερες SO₂ εκπομπών στον κόσμο με ~2000 τόνους που εκπέμπονται καθημερινά τα τελευταία χρόνια, επίσης απορρίπτει ~650 kg χαλκού και ~80 kg μολύβδου καθημερινά (Calabrese et al., 2011).

Το επίκεντρο αυτής της μελέτης ήταν να περιοριστεί καλύτερα η ποσότητα μετάλλων που απελευθερώνονται σε δύο ηφαίστεια, το ηφαίστειο Yasur που εκρήγνυται συνεχώς στο Βανουάτου και το ήρεμο ενεργό White Island στη Νέα Ζηλανδία. Επιπλέον, θέλαμε επίσης να περιορίσουμε ποια είναι τα είδη που σχηματίζουν αέρια σύμπλοκα με μέταλλα που είναι υπεύθυνα για τη μεταφορά τους σε ηφαιστειακά λοφία. Ένα άλλο σημαντικό μέρος αυτής της μελέτης ήταν η ανάπτυξη μιας τεχνικής για τη δειγματοληψία ηφαιστειακών λοφίων από απόσταση με τη βοήθεια ενός drone. Στην πραγματικότητα, πολλά ηφαίστεια δεν έχουν μελετηθεί ελάχιστα λόγω της δύσκολης πρόσβασης ή/και του κινδύνου που σχετίζεται με την προσέγγιση αρκετά κοντά για άμεση δειγματοληψία. Ενώ SO₂ Οι εκπομπές μπορούν να ποσοτικοποιηθούν από απόσταση (μέσω δορυφόρου, για παράδειγμα), τα μέταλλα χαμηλής συγκέντρωσης απαιτούν άμεση δειγματοληψία.

Οι εκπομπές μετάλλων διερευνήθηκαν σε δύο ηφαίστεια, που βρίσκονται και τα δύο σε ζώνες καταβύθισης αλλά με διαφορετικούς τύπους δραστηριότητας. Το White Island είναι ένα ανδεσιτικό ηφαίστειο, περίπου 50 km υπεράκτια από το Βόρειο Νησί της Νέας Ζηλανδίας (Εικόνα 1α). Βρίσκεται σε κατάσταση αναταραχής (δηλαδή σε ηρεμία) από την τελευταία έκρηξη το 2012-2013, με ένα ηφαιστειακό νέφος να εκπέμπει ~300 τόνους SO₂ ανά ημέρα (Christenson et al., 2017). Το Yasur είναι ένας κώνος σκορίας από βασαλτικό τραχυανδεσίτη στο νησί Tanna, στο νότιο αρχιπέλαγος Βανουάτου, στον Ειρηνικό Ωκεανό (Εικόνα 1β). Η στρομβολιακή δραστηριότητα έχει συμβεί τα τελευταία εκατοντάδες χρόνια με εκρήξεις κάθε 2-30 λεπτά, με ηρεμία απαέρωσης μεταξύ των εκρήξεων. Μόνο λίγα SO₂ Έχουν διεξαχθεί μελέτες εκπομπών, οι οποίες δείχνουν απόρριψη 600-900 τόνων την ημέρα (Bani and Lardy, 2007; Métrich et al., 2011).

Κατά τη διάρκεια αυτής της μελέτης, συλλέξαμε ταυτόχρονα όξινα είδη (SO₂ , HCl, HF) και αεροζόλ (στερεά σωματίδια). Για αυτό, χρησιμοποιήσαμε ένα πακέτο φίλτρου που περιέχει τέσσερα φίλτρα στη σειρά:το πρώτο συλλέγει σωματίδια και τα τρία τελευταία αντιδρούν με όξινα αέρια. Το ηφαιστειακό λοφίο αντλήθηκε μέσω του πακέτου φίλτρου και ο συνολικός όγκος μετρήθηκε και διοχετεύθηκε μέσω ενός ροόμετρου (Εικόνα 1β). Τοποθετήσαμε αυτή τη διάταξη σε ένα τετρακόπτερο TurboAce Matrix για δειγματοληψία στο White Island σε μία περίπτωση, πετώντας το drone στο ηφαιστειακό λοφίο ενώ συλλέγαμε δείγματα. Πίσω στο εργαστήριο, αναλύσαμε τα φίλτρα για να ανακτήσουμε την ποσότητα μετάλλων που εκπέμπονται και παρατηρήσαμε τα στερεά σωματίδια κάτω από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να αναγνωρίσουμε τους τύπους των σωματιδίων.

Το είδος των σωματιδίων που παρατηρήσαμε περισσότερο ήταν πυριτικά, τα οποία μπορούν να σχηματιστούν απευθείας από το μάγμα ή μπορεί να είναι κομμάτια των τοιχωμάτων του αγωγού που σύρονται μέσα στο λοφίο. Πολλά από αυτά περιείχαν υψηλή περιεκτικότητα σε θείο, υποδεικνύοντας πιθανή επικάλυψη αυτών των σωματιδίων με θειικό οξύ. Τα θειικά ήταν επίσης κοινά (Εικόνα 2β), δίνοντας έμφαση στη σημασία και την αντιδραστικότητα του θείου στα ηφαιστειακά λοφία. Τα πιο ενδιαφέροντα σωματίδια ήταν τα οξείδια Zn-Cu (Εικόνα 2α), τα οποία πιστεύεται ότι είναι αέρια σύμπλοκα ψευδαργύρου και χαλκού που οξειδώνονται σε επαφή με την ατμόσφαιρα και σχηματίζουν οξείδια.

Το πολύτιμο σημείο των πακέτων φίλτρων είναι ότι, σε συνδυασμό με ένα μέτρο SO₂ ροή, μπορούμε να εκτιμήσουμε τους ρυθμούς εκπομπής μετάλλων από τα ηφαίστεια. Στο White Island, μετρήσαμε ότι περίπου 6 έως 10 κιλά χαλκού, αρσενικού και ψευδαργύρου εκπέμπονται καθημερινά μέσα στο ηφαιστειακό νέφος. Αυτές οι ροές αντιστοιχούν σε χαμηλό επίπεδο δραστηριότητας και είναι μία έως δύο τάξεις μεγέθους χαμηλότερες από αυτές που μετρήθηκαν κατά τον κύκλο έκρηξης 1976-2000 (Le Cloarec et al., 1992· Wardell et al., 2008).

Η αλλαγή στις εκπομπές μετάλλων με την ηφαιστειακή δραστηριότητα τονίζει την επίδραση της θερμοκρασίας στη μεταφορά μετάλλων:τα μέταλλα μπορούν να μεταφερθούν αποτελεσματικά μόνο ως πτητικά σε υψηλές θερμοκρασίες και τείνουν να καθιζάνουν ως στερεά στο υπόγειο περιβάλλον με φθίνουσες θερμοκρασίες. Οι πολύ υψηλότερες ροές που μετρήθηκαν στο Yasur, όπου το μάγμα βρίσκεται μόλις μέτρα κάτω από την επιφάνεια, συμφωνούν με αυτήν την παρατήρηση. Εκεί εκπέμπονται καθημερινά έως και 175 κιλά χαλκού, 35 κιλά αρσενικού και ψευδαργύρου και 22 κιλά μολύβδου, με άμεσες περιβαλλοντικές επιπτώσεις για τους τοπικούς πληθυσμούς.

Καθώς μας ενδιέφερε να κατανοήσουμε τι επηρεάζει τις εκπομπές μετάλλων, συγκεντρώσαμε όλα τα δεδομένα για τις ροές μετάλλων από τα ηφαίστεια (Εικόνα 3). Εκτός από τη θερμοκρασία, μια άλλη παράμετρος που επηρεάζει την πτητικότητα των μετάλλων είναι η παρουσία και η ποσότητα των κύριων πτητικών ειδών. Τα ηφαίστεια από συγκλίνοντα περιθώρια (δηλαδή ζώνες καταβύθισης), όπου η ωκεάνια πλάκα απελευθερώνει τα πτητικά της στο μάγμα, θα έχουν επομένως πολύ διαφορετικό φορτίο αερίου σε σύγκριση με τα ηφαίστεια εντός της πλάκας (ηφαίστεια θερμών σημείων ή ηπειρωτικών ραγάδων). Αυτό αντικατοπτρίζεται στις χαμηλές εκπομπές μετάλλων από το Kilauea και το Erta Ale, για παράδειγμα, τα οποία είναι δύο ηφαίστεια εντός πλακών.

Ωστόσο, παρατηρήσαμε ότι ορισμένα ηφαίστεια από την ενδοπλακική ρύθμιση εκπέμπουν πραγματικά πολλά μέταλλα, ενώ μερικά από το περιβάλλον καταβύθισης είναι μικροί συνεισφέροντες. Η ποσότητα των πτητικών (δηλαδή η τεκτονική ρύθμιση) καθώς και η σύνθεσή τους επηρεάζουν τη μεταφορά μετάλλων. Για να κατανοήσουμε καλύτερα αυτό το φαινόμενο, πραγματοποιήσαμε θερμοδυναμικούς υπολογισμούς για να υπολογίσουμε την ειδογένεση των μετάλλων. Με άλλα λόγια, υπολογίσαμε ποια είναι τα αέρια σύμπλοκα που υπάρχουν στο λοφίο. Βρήκαμε ότι το θείο, παρόλο που είναι άφθονο, δεν σχηματίζει πολλά σύμπλοκα με μέταλλα στα ηφαιστειακά λοφία. Τα αλογόνα, ιδιαίτερα το χλώριο και το βρώμιο, ωστόσο, είναι πολύ αποτελεσματικά στη μεταφορά μετάλλων. Αυτά τα αποτελέσματα εξηγούν γιατί το Nyiragongo και το Erebus, δύο ενδοπλάκες ηφαίστεια με υψηλές εκπομπές αλογόνου, εκπέμπουν πολύ περισσότερα μέταλλα από το ηφαίστειο Lascar που σχετίζεται με την καταβύθιση, το οποίο είναι φτωχό σε αλογόνα.

Ένα άλλο ενδιαφέρον αποτέλεσμα της μελέτης ήταν η δυνατότητα χρήσης δειγμάτων φίλτρων για την παρακολούθηση της ηφαιστειακής δραστηριότητας. Στην πραγματικότητα, μπορούσαμε να παρατηρήσουμε αλλαγές μεταξύ της υδροθερμικής και της μαγματικής συνεισφοράς κατά τη διάρκεια της 2ετούς μελέτης μας στο White Island. Μαζί με την τεχνολογική βελτίωση της τεχνικής δειγματοληψίας με χρήση drone, αυτά τα αποτελέσματα είναι σχετικά με ιδρύματα που παρακολουθούν ενεργά ηφαίστεια με περιορισμένη πρόσβαση.

Αναφορές:

1. Bani, P., Lardy, M., 2007. Ρυθμοί εκπομπής διοξειδίου του θείου από το ηφαίστειο Yasur, αρχιπέλαγος Βανουάτου. Geophysical Research Letters, 34(20):n/a-n/a.
2. Calabrese, S. et al., 2011. Ατμοσφαιρικές πηγές και καταβόθρες ηφαιστειογενών στοιχείων σε ένα βασαλτικό ηφαίστειο (Αίτνα, Ιταλία). Geochimica et Cosmochimica Acta, 75(23):7401-7425.
3. Christenson, B.W., White, S., Britten, K., Scott, B.J., 2017. Υδρολογική εξέλιξη και χημική δομή ενός υπερ-όξινου συστήματος πηγής-λίμνης στο Whakaari/White Island, NZ. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 346:180-211.
4. Delmelle, P., Stix, J., Baxter, P., Garcia-Alvarez, J., Barquero, J., 2002. Ατμοσφαιρική διασπορά, περιβαλλοντικές επιπτώσεις και δυνητικός κίνδυνος για την υγεία που σχετίζεται με το νέφος αερίου σε χαμηλό υψόμετρο Ηφαίστειο Masaya, Νικαράγουα. Bulletin of Volcanology, 64(6):423-434.
5. Le Cloarec, M.F., Allard, P., Ardouin, B., Giggenbach, W.F., Sheppard, D.S., 1992. Ραδιενεργά ισότοπα και ιχνοστοιχεία σε αέριες εκπομπές από White Island, Νέα Ζηλανδία. Earth and Planetary Science Letters, 108(1-3):19-28.
6. Métrich, N. et al., 2011. Magma and Volatile Supply to Post-Collapse Volcanism and Block Resurgence in Siwi Caldera (Tanna Island, Vanuatu Arc). Journal of Petrology, 52(6):1077-1105.
7. Wardell, L.J., Kyle, P.R., Counce, D., 2008. Οι ηφαιστειακές εκπομπές μετάλλων και αλογόνων από το White Island (Νέα Ζηλανδία) και το ηφαίστειο Erebus (Ανταρκτική) προσδιορίστηκαν με χημικές παγίδες. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 177(3):734-742.
8. Βίντεο UNRESP:Εμπειρία:Ζώντας με ηφαιστειακά αέρια, Masaya, Νικαράγουα, https://vumo.cloud/