Определение наличия фрагментов магмы во время извержения остается важнейшей задачей вулканологии. Существует надежная парадигма фрагментации высоковязких кремниевых магм. Однако мало что известно о поведении фрагментации систем с низкой вязкостью, наиболее распространенной форме вулканизма на Земле и на других планетных телах и спутниках.
Установление того, когда извержение вулкана будет происходить эффузионно, взрывоопасно или в комбинации с ним, имеет первостепенное значение для гражданской обороны и уменьшения опасности.
Поведение во взрывоопасной среде приводит к образованию пирокластических материалов, образующих брызги лавы и тефровые потоки, что может привести к закрытию воздушного пространства, а эффузионное поведение проявляется в виде потоков лавы и выбросов токсичных газов. Таким образом, стиль извержения напрямую контролирует тип опасности, пространственное положение и величину.
Существует четкое понимание фрагментации кремниевых систем с высокой вязкостью. Однако те же самые теории не могут быть применены к фрагментации жидкостей с низкой вязкостью. Этот пробел в знаниях усугубляется еще и тем, что большая часть вулканизма на Земле и на других планетарных телах и спутниках характеризуется низкой вязкостью жидкостей. Эти жидкости могут иметь широкий химический состав: от силикатных и карбонатных расплавов на Земле до воды и водных растворов на других планетарных телах.
Для развитых кремниевых систем с высокой вязкостью фрагментация происходит при пересечении реологических стеклянных переходов. Для расплава в расслабленном состоянии при любой заданной вязкости высокие скорости деформации способствуют хрупкому поведению, в то время как более низкие скорости деформации благоприятствуют поведению, подобному поведению жидкости.
Для менее силикатных расплавов, таких как базальт, кимберлит и карбонатит (с вязкостью ⪅103 Pa -s), фрагментация при пересечении стеклования требует очень высокой скорости деформации >104. Такие скорости деформации при наземных извержениях расплавов низкой вязкости не наблюдаются, поэтому разработанные теории фрагментации кремниевых систем остаются нереалистичными.
Фрагментация расплавов с низкой вязкостью должна происходить в результате принципиально иных процессов: флюидно-динамически индуцированного распада, когда магма растягивается и растягивается до образования пирокластов. Поэтому фрагментация, вызванная гидродинамическим разрушением, может влиять на эруптивное поведение.
Во время извержения существует множество процессов, в которых центральную роль играет расширение жидкости. Во время подъема магмы в канале, декомпрессия и последующий рост пузырьков приводят к удлинению расплава. Если эффект инерции переполняет вязкостные эффекты, то расширяющиеся пузырьковые стенки постоянно тонкие и потенциально подвержены разрушению. При выходе из вентиляционного отверстия растягивающий разрыв может быть вызван гидродинамической нестабильностью на краю магматической струи. В менее энергичных случаях разрыв больших пузырьков газа или пробки на свободной поверхности приводит к разрушению магмы. Обычно это наблюдается на лавовых озерах и во время извержений в стиле Стромболизма.
Наконец, после образования горячих флюидных пирокластов они могут фрагментироваться при продолжении расширения фонтана. Однако этот перечень не является исчерпывающим. Например, расширенный взлом наблюдался во время выгрузки брызг и удаления расплава с кристаллических поверхностей. В типичных условиях извержений расплавы базальта, кимберлита и карбонатита распадаются в результате гидродинамических процессов в виде вязкостных и капиллярных неустойчивостей. Время, затрачиваемое на разрушение, меньше для жидкостей с более высоким поверхностным натяжением и меньшей вязкостью, что делает их наиболее подверженными разрушению.
В вулканических системах не всегда присутствуют чистые расплавы. Скорее, существует магма, многофазная суспензия, состоящая из расплава, которая суспендирует пузырьки или кристаллы (твердые). Добавление обеих этих фаз может привести к появлению неньютоновской реологии.
Кристаллы увеличивают вязкость магмы и могут создавать предел текучести после того, как концентрация частиц станет достаточной для взаимодействия частицы с ней. Наличие пузырьков в расширяющейся жидкости может привести ко многим сложным последствиям. Например, когда пузырьки не деформируются во время течения, они действуют для увеличения вязкости суспензии. Таким образом, они могут подавлять вязкий распад за счет продления шкалы времени вязкостной нестабильности.
В качестве альтернативы, диаметр контролируемого разрыва может быть уменьшен до толщины пленки между пузырьками, а не диаметра волокна. Это позволило бы сократить временные рамки вязкостной и капиллярной нестабильности и ввести точки зарождения для развития трещины. Вязкое разрушение до центральной точки защемления наблюдалось при наименьших критических скоростях, в то время как хрупкое разрушение происходит при больших скоростях, когда пены разрушаются отдельно от точек разрушения внутри волокна. Наблюдается переходная зона с промежуточными темпами, где очевидны оба механизма распада. Эта переходная зона уменьшается по мере увеличения ширины исходного волокна. Поэтому очевидно, что, когда пузырьки или кристаллы взвешиваются в расплаве, неньютоновские эффекты могут изменить характеристики растяжения распада. Это должно быть в центре внимания будущих исследований.
