Kilauea, en berömd hawaiiansk vulkan, bryter ut lava och basaltaska som har höga koncentrationer av fluor. Kredit:M. Patrick, USGS
Föroreningar från vulkanutbrott läcker ut i vatten i olika hastighet beroende på formen på vulkanaskpartiklarna, enligt ny forskning som skulle kunna förbättra forskarnas förmåga att förutsäga risken för vattenkvalitet i vulkaniskt aktiva regioner.
Vulkanaska består av mikroskopiska fragment av stelnad magma som drivs fram från vulkanutbrott. När en vulkan får utbrott, aska kan färdas långa sträckor. På kort sikt, aska kan förorena växtlighet, ytvatten, jordar och grundvatten med tungmetaller som koppar, kadmium och arsenik och icke-metalliska föroreningar som fluor.
Dessa föroreningar kan komma in i näringskedjan i en process som kallas bioackumulering. Bioackumulering sker när organismer får i sig och lagrar föroreningar som de inte kan metabolisera. Dessa föroreningar kan bli mer koncentrerade när de reser uppåt i näringskedjan, förgiftning av boskap och människor. Bioackumulering av tungmetaller kan orsaka vissa cancerformer, medan bioackumulering av icke-metaller som fluor kan orsaka skelettskador.
En ny studie i AGU:s tidskrift GeoHealth finner att askpartiklars yta styr hur snabbt aska läcker ut föroreningar i vattnet. Ju fler bubblor en partikel har – eller ju mer porös den är – desto större yta. Aska med fler bubblor läcker snabbare, eftersom det har mer yta för vatten att tränga igenom.
Resultaten tyder på att partikelstruktur kan påverka vattenkvaliteten, förbättra geologernas förmåga att förutsäga hur miljöer kan reagera på vulkaniska explosioner. Att förstå hur asktyper påverkar hur föroreningar löses upp i vatten gör det möjligt för forskare att förutsäga de hälsorisker som vattenförorening medför i regioner med frekvent vulkanism, enligt studiens författare.
Den vänstra bilden är andesitisk aska från vulkanen Turrialba. Dess höga porositet ger den en större yta. Den högra bilden är basaltisk aska från Kilauea. Dess släta och sfäriska utseende visar dess minskade yta. Kredit:AGU
"De första timmarna är när vattnet är som mest förorenat och lakningshastigheten minskar efteråt. på lång sikt, upprepade utbrott kan leda till bioackumulering, sa Candace Wygel, en geolog som utförde forskningen medan han var doktorand vid Lehigh University i Betlehem, Pennsylvania. Wygel, nu geolog vid Roux Environmental Engineering and Geology D.P.C. i New York City, New York, är huvudförfattare till den nya tidningen.
Mätning av bubbelkoncentration
Tidigare studier av vulkanaska antog att varje partikel var enhetligt sfärisk och kompakt. Denna metod tog inte hänsyn till hur porösa vissa typer av aska är. Till exempel, partiklar från andesitisk aska, en typ av vulkanaska med medelkorniga kristaller och medelhög kiseldioxidhalt, kan ha många mikroskopiska bubblor. Varje bubbla ökar askprovets yta. Mer vatten kan vidröra provet och lösa upp dess föroreningar.
Dessutom, olika typer av vulkanaska har unika koncentrationer av grundämnen och föroreningar. Basaltisk aska, en typ av vulkanisk aska med låg kiseldioxidhalt, innehåller fler metaller än andesitisk aska. Dock, eftersom andesitisk aska har fler bubblor, det urlakar det den har snabbare. Forskare visste att den kemiska sammansättningen påverkade vad vulkanaska urlakade, men Wygel och hennes kollegor misstänkte att partikelstrukturen också påverkar askans urlakningshastighet.
"Vi ville se hur askans morfologi påverkade urlakning till miljön, " sa Wygel.
I den nya studien, forskarna samlade in prover från fyra vulkaner på Hawaii, Costa Rica, Alaska och Island. Varje vulkan bröt ut främst basaltisk eller andesitisk aska. Forskarna mätte varje provs totala yta och tog hänsyn till bubblor inuti askan. De fann att proverna hade ytareor ungefär tre gånger större än när de mättes med den geometriska standardmetoden.
De hittade askpartiklar med större yta urlakade metaller snabbare. Under sju dagar, vatten eroderade partiklarna, göra deras yta mindre och ändra deras urlakningshastigheter. Forskarna gjorde ytareamätningar vid olika tidpunkter för att observera hur askans utlakningshastigheter förändrades från vattenvittring.
Andesitisk aska från vulkanen Turrialba i Costa Rica hade den högsta utlakningshastigheten, tillskrivas dess höga koncentrationer av bubblor. Turrialbas aska urlakade initialt föroreningar snabbast. Dock, basaltisk aska från vulkanen Hawaii, Kilauea, urlakade de största koncentrationerna av metaller. Resultaten tyder på att askans urlakningshastighet och kemiska sammansättning påverkar miljöer parallellt.
