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火山灰形态影响火山活动区的水源污染

2019年11月13日 03:18来源:未知手机版

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基拉韦厄——一个著名的夏威夷火山,喷发出含有高浓度氟的熔岩和玄武灰。

(图片来源:M. Patrick,美国地质勘探局(USGS))

火山喷发的污染物浸入水中的速率,取决于火山灰颗粒物的形状——这项新研究可提高科学家预测火山活动区水质风险的能力。

火山灰包含火山喷发推动的凝固岩浆的微观碎片。火山爆发时,火山灰可传播很远的距离。短期内,火山灰会通过铜,镉和砷等重金属,氟等非金属污染物,污染植被、地表水、土壤和地下水。

这些污染物可进入食物链中生物积蓄这一过程,指的是有机体摄取到无法代谢的污染物时,会将其储存起来。这些污染物沿着食物链上行,越来越集中,从而毒害牲畜和人类。重金属的生物积蓄可能致癌,非金属的生物积蓄如氟可导致骨骼损伤。

美国地球物理联合会(AGU)的杂志《地球健康》(GeoHealth)中,一项新研究发现,灰尘微粒表面积控制着灰尘将污染物浸入水中的速度。微粒气泡或气孔越多,表面积就越大,灰尘浸入水中的速率越快,因为其浸水的表面积越大。

结果表明,微粒结构会影响水质,借此可提高地质学家的预测能力,更好地预测环境对火山爆发可能做出的反应。该研究的作者表明,科学家通过了解火山灰类型怎样影响污染物溶解于水的方式,可预测火山频繁活动区域的水污染带来的健康危害。

左图是来自于图里亚尔巴火山的安山岩灰,孔隙率高,因而表面积较大。右图是来自于基拉韦厄的玄武岩,外观呈光滑球形,因而表面积较小。 (图片来源:美国地理协会(AGU))

“前几个小时,浸透速率快,水最容易受到污染,之后浸透率会减弱。然而,长此以往,火山不断爆发,会导致生物积蓄。”论文的主要作者、纽约市环境工程与地质局地质学家Candace Wygel说道。而她在做这项研究时,还是伯利恒理海大学的一名研究生。

测量气泡密集度

先前的火山灰研究假设每一个微粒都是紧凑均匀的球形,没有考虑到某些类型火山灰的多孔性。例如,来自于安山灰(一种有着中粒晶体和中硅成分的火山灰)的微粒,可能含有许多微观的气泡。每一个气泡都会增加火山灰样品的表面积,使样品接触更多的水,溶解更多的污染物。

此外,不同类型的火山灰都其独特的元素与污染物浓度。玄武灰,一种低硅含量的火山灰,比安山灰含有的金属多。然而,安山灰气泡更多,因而其所含的污染物浸出速度越快。科学家们知道化学成分影响火山灰的浸出,但是,Wygel及其同事怀疑微粒结构也会影响火山灰的浸出率。

“我们希望能找出火山灰的形态对其浸入到环境中的影响方式。”Wygel说道。

在新研究中,研究人员分别从夏威夷、哥斯达黎加,阿拉斯加和冰岛的四个火山上采集样本,每一个火山都主要喷发玄武灰或安山灰。研究人员测量了每一个样品的总表面积,计算出火山灰中的气泡,发现样品的表面积大约是用标准几何方法测量的三倍。

他们发现,火山灰微粒表面积越大,其将金属浸出的速率越快。七天后,水侵蚀了这些微粒,使其表面积变小,进而改变其浸出率。研究人员在不同的时间点对表面积进行测量,观察火山灰的浸出率在水风化下的变化情况。

哥斯达黎加图里亚尔巴火山的安山灰浸出率最高,原因在于其气泡密集度高;图里亚尔巴火山的火山灰开始浸出污染物速度最快;夏威夷火山基拉韦厄的安山灰浸出的金属最密集。这些结果表明火山灰的浸出率和化学成分可同时对环境造成影响。

作者:Abigail Eisenstadt

翻译:吕嘉明

审校:赵欢

引进来源:美国地球物理联合会

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