Oxidación

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7117 (2023) Citar este artículo

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Los cristales de tamaño nanométrico (nanolitas) juegan un papel importante en el control de las erupciones al afectar la viscosidad de los magmas e inducir la nucleación de burbujas. Presentamos análisis petrográficos microscópicos y nanoscópicos detallados de piedra pómez con nanolitos y sin nanolitos de la erupción de 2021 de Fukutoku-Oka-no-Ba, Japón. El conjunto de minerales de nanolita incluye biotita, que está ausente del conjunto de minerales de fenocristales, y magnetita y clinopiroxeno, que se observan como fenocristales. El límite entre el vidrio marrón que contiene nanolitos y el vidrio incoloro sin nanolitos es nítido o gradual, y los límites nítidos también aparecen nítidos bajo el microscopio electrónico transmitido. El análisis de la estructura fina por absorción de rayos X (XAFS) del vidrio volcánico reveló que el vidrio incoloro sin nanolita registra una fugacidad de oxígeno de QFM + 0,98 (unidades logarítmicas), mientras que el vidrio marrón que contiene nanolita registra una fugacidad de oxígeno aparente más alta (~ QFM + 2). El modelado termodinámico utilizando MELTS indica que las fugacidades de oxígeno más altas aumentan la temperatura de liquidus y, por lo tanto, inducen la cristalización de nanolitos de magnetita. El ensamblaje mineral de nanolitas hidratadas y las estimaciones de la fugacidad del oxígeno del vidrio sugieren que un fluido oxidante suministrado por un magma máfico caliente indujo la cristalización de nanolitas en el reservorio de magma, antes de la fragmentación del magma. La cristalización de nanolitos inducida por oxidación mejoró la nucleación de burbujas heterogéneas, lo que resultó en convección en el depósito de magma y provocó la erupción.

Los cristales a nanoescala, conocidos como nanolitos, juegan un papel importante durante las erupciones. Los nanolitos se distinguieron originalmente de los microlitos por una ruptura pronunciada en la distribución del tamaño del cristal (CSD) a < 600 nm1, y Mujin et al.2 redefinieron más tarde los nanolitos como cristales de 30 a 1000 nm de longitud y los ultrananolitos como cristales de < 30 nm en longitud. Los estudios petrográficos convencionales de nanolitos han requerido sistemas de observación de alta resolución, por ejemplo, el microscopio electrónico de transmisión (TEM) o el microscopio electrónico de barrido de alta resolución (HR-SEM). La microscopía Raman ha facilitado cada vez más la detección de nanolitos de óxido de Fe-Ti (magnetita)3,4. En general, se piensa que la cristalización de los nanolitos refleja procesos poco profundos, incluido el ascenso del magma en el conducto4,5,6,7,8 y el proceso de enfriamiento después de la fragmentación del magma9. También se ha demostrado que la cristalización de nanolitos de magnetita puede aumentar la explosividad de una erupción al aumentar la viscosidad del magma o aumentar la nucleación de burbujas4,10,11,12,13. Sin embargo, experimentos in situ recientes indican que aunque la cristalización de nanolitos aumenta la viscosidad, el efecto de aumento en la fusión natural no es tan alto como se esperaba de los materiales análogos14, y la relación entre los nanolitos y los procesos volcánicos sigue sin estar clara. Además, aún no está claro cómo comienza la cristalización de nanolitos (o la nucleación de burbujas) en el magma en erupción.

Fukutoku-Oka-no-Ba (FOB) es un volcán submarino en el arco Izu-Ogasawara en el noroeste del Pacífico, ~ 1300 km al sur de Japón continental (24°17.1′N, 141°28.9′E). La cumbre del volcán tiene una forma ovalada plana con una longitud de 1,5 × 1 km a una profundidad de ~ 30 m bajo el nivel del mar antes de la erupción de 202115. Del 13 al 15 de agosto de 2021 (hora estándar de Japón), hubo una erupción explosiva en el volcán16,17,18. Con base en la observación satelital, Maeno et al.16 indicaron que la columna de erupción era rica en agua con una pequeña cantidad de materiales volcaniclásticos y, por lo tanto, la explosividad de la erupción aumentó por una interacción entre el agua de mar y una alta tasa de descarga de magma. La erupción produjo una gran balsa de piedra pómez, compuesta principalmente de piedra pómez de color gris, que fue arrastrada hacia el oeste por las corrientes oceánicas durante más de 1000 km18,19. La balsa de piedra pómez llegó primero a las costas del Pacífico de las islas japonesas y luego viajó hacia el oeste por un total de > 5000 km, llegando al Golfo de Tailandia20. Grandes cantidades de piedra pómez flotante pueden dañar los ecosistemas costeros y afectar la economía16,18,21. Los análisis geoquímicos y petrológicos de la piedra pómez a la deriva mostraron que, a pesar de sus colores variables (gris, ámbar, marrón y negro), tienen composiciones traquíticas casi homogéneas con contenidos de SiO2 y Na2O + K2O de 60–65 y 8–10% en masa, respectivamente18 . Aunque los clastos de piedra pómez depositados han sufrido varios procesos de abrasión y eliminación durante la deriva durante > 1000 km y durante 2 meses, la tendencia general del tipo de piedra pómez, es decir, la mayoría es de tipo gris, permaneció igual en comparación con la observada dentro de los 10 días posteriores a la erupción en el mar16,19. La piedra pómez de diferentes colores se presenta en clastos independientes o juntos en un solo clasto con límites graduales o nítidos. Una característica notable de la piedra pómez FOB es la aparición común de pequeños volúmenes de piedra pómez negra, mientras que la mayoría era piedra pómez gris. La piedra pómez negra tiene una composición similar a la piedra pómez gris que constituye la mayor parte del depósito, aunque presentan microtexturas diferentes. La microscopía Raman mostró que el vidrio marrón en la piedra pómez negra contiene nanolitos de magnetita que aumentaron la viscosidad del fundido y, por lo tanto, desempeñaron un papel en la erupción explosiva FOB de 202118.

Realizamos un estudio exhaustivo del vidrio que contiene nanolitas en la piedra pómez FOB, incluido el análisis TEM, el microanálisis Fe K-edge XANES (estructura de borde cercano a la absorción de rayos X) y el modelado termodinámico. La muestra investigada (AYA-2) es un solo clasto de piedra pómez compuesto por partes grises y negras con un límite definido y se recolectó en la costa noreste de Amami Ōshima (28°28.4′N, 129°42.9′E) el 18 de octubre de 2021 (Figura complementaria 1). Se han presentado descripciones petrográficas básicas de esta muestra18. También discutimos cómo ocurrió la cristalización de nanolitas en el depósito de magma FOB y cómo afectó la erupción.

La balsa de piedra pómez de la erupción FOB de 2021 consiste principalmente en piedra pómez gris con una pequeña cantidad de piedra pómez negra y de diferentes colores (incluidos ámbar y marrón). La piedra pómez negra y marrón consiste en vidrio marrón con una firma Raman de nanolita de magnetita, con un pico18 de ~ 670 cm−1. Por el contrario, la piedra pómez gris y ámbar se componen de vidrio incoloro y libre de nanolitos. No se han identificado microlitos visibles en la piedra pómez gris, mientras que la piedra pómez negra contiene microlitos raros de clinopiroxeno y olivino18. La piedra pómez negra se presenta como clastos individuales o mezclada con la piedra pómez gris18,20.

La piedra pómez gris y negra a menudo exhibe diferentes texturas (Fig. 1a, d, e). Se observaron vesículas más pequeñas y alargadas en la masa base de la piedra pómez gris, mientras que las de la piedra pómez negra eran más grandes y más esféricas (Fig. 1d, e). Los ejes principales de las burbujas se estimaron utilizando un ajuste elipsoide. Aunque se identificaron burbujas grandes (> 500 μm) en ambos tipos de vidrio, la mayoría de las burbujas en el vidrio incoloro fueron < 50 μm. Las longitudes medias de las burbujas en el vidrio incoloro y marrón fueron de 73 y 128 μm, respectivamente. Los límites entre la piedra pómez gris y negra variaron: algunos clastos contenían límites definidos entre el vidrio marrón (piedra pómez negra) y el vidrio incoloro (piedra pómez gris) bajo el microscopio óptico (Fig. 1b), mientras que otros exhibieron un cambio gradual de marrón a incoloro. vidrio (Fig. 1c). Los conjuntos de minerales de fenocristales son similares en ambos tipos de piedra pómez (clinopiroxeno, plagioclasa y magnetita y olivino menores), y la mayoría de los minerales tienen composiciones similares, excepto aquellos que probablemente se originaron en un magma máfico18,20. Por ejemplo, se observan dos tipos de olivino en la piedra pómez FOB: uno relativamente rico en Fe (Mg# = Mg molar/[Mg + Fe] ~ 65) sin zonación composicional y otro con alto contenido de Mg (Mg# ~ 90) meseta y contenido decreciente de Mg hacia los bordes18. Este último tipo de olivino se observa en la piedra pómez negra o está estrechamente asociado con ella18,20.

(a) Fotomicrografía del límite entre la piedra pómez negra (vidrio marrón) y la piedra pómez gris (vidrio incoloro). El cuadro azul indica la posición de la fotomicrografía ampliada que se muestra en (b). La fotografía insertada muestra todo el clast. (b) Vista ampliada del límite entre los vidrios marrones e incoloros. La línea negra indica la posición del análisis TEM. ( c ) Límite de gradación entre el vidrio marrón y el incoloro en un clasto de piedra pómez diferente. ( d, e ) Imágenes representativas de electrones retrodispersados ​​de los dominios de vidrio ( d ) marrón y ( e ) incoloro. El vidrio marrón tiene burbujas esféricas más grandes, mientras que el vidrio incoloro tiene burbujas pequeñas y alargadas. También se muestran histogramas de las longitudes de los ejes principales de las burbujas. ( f ) Imagen de campo brillante TEM del área indicada en ( b ). El límite entre los vidrios marrones e incoloros es claro a esta escala. Se observan nanolitos de clinopiroxeno relativamente grandes. ( g ) Vista ampliada del vidrio marrón, que muestra nanolitos de magnetita ~ 20 nm de longitud y nanolitos de biotita ~ 100 nm de longitud. Las abreviaturas son clinopiroxeno (Cpx), biotita (Bt) y magnetita (Mag).

Realizamos análisis TEM en el límite nítido entre los dos tipos de vidrio para identificar las diferencias entre el vidrio marrón con nanolita y el vidrio incoloro sin nanolita (Fig. 1b).

El análisis TEM reveló tres tipos de nanolita en el vidrio marrón. Por el contrario, el vidrio incoloro no tenía cristales incluso a la escala del análisis TEM (Fig. 1f). Los granos más grandes fueron clinopiroxeno, con ejes largos de < 300 nm. En contraste, los abundantes granos en bloque de < 20 nm eran magnetita (Fig. 1g). Se observaron granos tabulares ocasionales < 100 nm de longitud, que arrojaron firmas EDS de K, Al y Mg, lo que sugiere que se trataba de biotita.

Los nanolitos de magnetita se orientaron aleatoriamente; sin embargo, los granos alargados de clinopiroxeno y biotita estaban débilmente alineados (sub)paralelos al límite entre el vidrio marrón y el incoloro. La fase sólida a nanoescala era ~ 12% en volumen de la muestra según la imagen TEM (Fig. 1g).

Los espectros XANES representativos obtenidos mediante análisis puntuales de los vidrios incoloros y marrones se muestran en la Fig. 2a-d con las proporciones calculadas de Fe3+/ΣFe. Las relaciones Fe3+/ΣFe de los vidrios incoloros y marrones fueron de 0,24 a 0,28 (n = 4) y de 0,31 a 0,36 (n = 8), respectivamente. Además, los espectros XANES del vidrio marrón tenían un pico relativamente agudo de ~ 7129,5 eV que puede atribuirse a la magnetita22, lo que indica que analizamos el vidrio marrón como una mezcla de nanolita y vidrio de silicato amorfo. La presencia de nanolitos de magnetita puede invalidar la energía del centroide Fe XANES utilizada en la calibración de la relación Fe3+/ΣFe; por lo tanto, estos valores deben interpretarse con precaución. Aunque la verdadera relación Fe3+/ΣFe de la parte amorfa en el vidrio marrón es incierta, cabe señalar que toda la mezcla del vidrio marrón, es decir, nanolita + parte amorfa, es rica en Fe3+ y está más oxidada que la nanolita incolora. -vidrio libre.

Espectros XANES representativos de (a) vidrios marrones y (b) incoloros. ( c, d ) Vista ampliada de la región previa al borde indicada por el cuadro punteado en ( a ) y ( b ). También se muestran los ajustes gaussianos para los picos de Fe2+ y Fe3+. Las relaciones Fe3+/ΣFe se calcularon usando la calibración para vidrio de riolita de Okumura et al.39. ( e ) Imagen 2D XANES del límite entre los dominios de piedra pómez negra y gris. La sección gruesa analizada se hizo a partir del clasto utilizado para el análisis puntual. Las áreas con mayores proporciones de Fe3+/ΣFe son fenocristales de clinopiroxeno y magnetita, indicados por flechas.

El análisis 2D XANES también mostró que el vidrio marrón en la piedra pómez negra tenía proporciones más altas de Fe3+/ΣFe que el vidrio incoloro en la piedra pómez gris (Fig. 2e).

Aunque la escala de tiempo de la formación de nanolitos sería corta y se puede esperar el proceso metaestable o de desequilibrio, el modelado de fase termodinámica se puede utilizar como un indicador útil para considerar su proceso de formación. El conjunto de minerales estables para la composición de piedra pómez FOB se calculó utilizando el modelo riolita-MELTS v.1.2.x23. La piedra pómez FOB tiene una gama estrecha de composiciones de roca entera, a pesar de su apariencia18. En el modelado se utilizó toda la composición de roca de FOB-JMA-1818.

La fugacidad de oxígeno (fO2) de los vidrios incoloros y marrones se calculó utilizando la fórmula de 24, la composición de FOB-JMA-18 y la presión y temperatura reportadas del reservorio de magma (930 °C y 250 MPa18). En estas condiciones y con la relación Fe3+/ΣFe medida, los valores log(fO2) del vidrio incoloro en relación con el tampón QFM (cuarzo-fayalita-magnetita) son QFM + 0,98. Aunque los espectros XANES del vidrio marrón incluyen una señal de nanolitos de magnetita, usamos la relación aparente Fe3+/ΣFe para calcular una fO2 de QFM + 2,04 para el vidrio marrón.

Para modelar la aparición de nanolitos y fenocristales en el reservorio de magma, usamos una temperatura fija de 930 °C y una presión de 250 MPa y cambiamos el contenido de agua y fO2, como se resume en la Fig. 3a. La magnetita es estable en todas las condiciones modeladas. Se encontró que el olivino, con un Mg# de ~ 60, es estable solo en condiciones reducidas (QFM − 0.5) y húmedas (H2O = 6% en masa), mientras que los otros minerales fenocristalinos (clinopiroxeno, plagioclasa y magnetita) fueron estables en condiciones condiciones más oxidadas (QFM + 1.5 y + 2) con contenidos de agua relativamente altos (5% en masa).

Fases estables según MELTS_Excel a (a) presión y temperatura fijas y fugacidad de oxígeno y contenido de agua variables, (b) presión y contenido de agua fijos (5% en masa) y fugacidad de oxígeno y temperatura variables, y (c) temperatura y contenido de agua fijos (5% en masa) y fugacidad y presión de oxígeno variables. Las abreviaturas son plagioclasa (Pl), ortopiroxeno (Opx), clinopiroxeno (Cpx), olivino (Ol), biotita (Bt) y magnetita (Mag).

También modelamos las relaciones de fase con cambios de temperatura y fO2 a una presión constante de 250 MPa y un contenido de agua fijo de 5% en masa (Fig. 3b). La temperatura de liquidus alcanza > 1100 °C en QFM + 2, mientras que condiciones más reducidas producen temperaturas más bajas (< 1000 °C). La biotita cristaliza a una fO2 relativamente alta (> QFM + 0) y temperaturas bajas (< 925 °C).

Para evaluar más a fondo la estabilidad de la biotita, modelamos presiones variables y fO2 a una temperatura constante de 900 °C y un contenido de agua del 5% en masa (Fig. 3c). A bajas presiones (< 150 MPa), el H2O se satura. La biotita se vuelve estable a presiones más altas (> 100 MPa) y fO2 (> QFM + 1). La fugacidad de oxígeno requerida para la estabilidad de la biotita se vuelve más baja a presiones más altas.

Los análisis XANES mostraron que la diferencia entre la piedra pómez gris y la negra, la aparición de nanolitos, se puede atribuir a una diferencia en las relaciones Fe3+/ΣFe y la fO2 correspondiente. El vidrio marrón con nanolitos de magnetita ocurre en el dominio con una fO2 aparente alta (~ QFM + 2,04), mientras que los dominios de vidrio incoloro producen una fO2 de ~ QFM + 0,98. Aunque existe incertidumbre en la calibración de Fe3+/ΣFe para el vidrio que contiene nanolitas22, el vidrio marrón tiene una relación más alta de Fe3+/ΣFe y, por lo tanto, experimentó una fO2 más alta. Este estudio se centró en las muestras más típicas sin nanolitos y que contienen nanolitos; es decir, el límite entre la piedra pómez gris y la negra. El límite definido entre el vidrio marrón que contiene nanolitas y el vidrio incoloro sin nanolitas (Fig. 1b) se formó mediante un proceso rápido, por ejemplo, la mezcla de dos tipos de magma durante una erupción explosiva, lo que sugiere que los dos magmas eran diferentes. colores antes de la erupción.

Las texturas de la burbuja en los dos dominios son diferentes, con burbujas pequeñas y alargadas en el vidrio incoloro y burbujas grandes y esféricas en el vidrio marrón (Fig. 2d, e). Estas texturas contrastantes y su relación con la presencia de nanolitos sugieren que la nucleación de burbujas ocurrió antes en el vidrio marrón que en el vidrio incoloro, lo que permitió que las burbujas maduraran. La nucleación de burbujas comenzó posteriormente en el magma libre de nanolitos, posiblemente después de que los dos magmas se mezclaran. Este escenario puede explicarse mejor por el desencadenamiento de la nucleación de burbujas por la cristalización de nanolitos antes de la erupción10,25, en lugar de por la cristalización de nanolitos inducida por burbujas12. Cabe señalar que Kato26 estudió la piedra pómez gris claro y gris oscuro de la erupción FOB de 1986 y mostró que los dos tipos de piedra pómez tenían la misma proporción de Fe2+/Fe3+ usando titulación. Con base en las descripciones de la piedra pómez gris oscuro por26, incluidas las microtexturas de burbujas, puede ser la misma que la piedra pómez ámbar descrita por Yoshida et al.18 y diferente de la piedra pómez negra estudiada aquí. La piedra pómez ámbar consiste en vidrio incoloro con vesículas relativamente grandes y no contiene nanolitos de magnetita18.

El estudio experimental en el sistema de riolita libre de azufre indicó que la desgasificación del componente volátil dominado por H2O produce un aumento en Fe3+/ΣFe27, aunque tanto los tipos negro como gris en la piedra pómez FOB han sufrido desgasificación durante el proceso de descompresión y eyección. Por lo tanto, no es probable que la oxidación relacionada con la desgasificación sea el origen de la piedra pómez negra y el proceso de formación de nanolitos haya ocurrido antes del comienzo de la erupción. La presencia de olivino con alto contenido de Mg asociado con la piedra pómez negra sugirió que el olivino con alto contenido de Mg se originó a partir del magma máfico caliente de las profundidades que desencadenó la erupción explosiva y que la piedra pómez negra (magma) se había vuelto negra (que contenía nanolita) debido a la efecto del magma máfico caliente intruido18. La composición de toda la roca de la piedra pómez negra es similar a la de la piedra pómez gris, lo que sugiere que, en cambio, se inyectó un componente volátil caliente con una pequeña cantidad de sólido en el depósito de magma traquítico de FOB. La presencia de nanolitos de biotita (Fig. 1e), así como inclusiones de anfíboles en olivino18 con alto contenido de Mg, sugiere que este componente volátil era rico en agua. El modelo MELTS (Fig. 3c) sugiere que la hidratación y la formación de biotita no ocurrieron a poca profundidad, por ejemplo en el conducto, sino en la parte más profunda (> 100 MPa) del sistema de plomería. Agregar agua generalmente disminuye la temperatura de liquidus; sin embargo, condiciones más oxidadas aumentan la temperatura de liquidus. Las diferentes proporciones Fe3+/ΣFe de la piedra pómez gris y negra sugieren fuertemente que el agente que oscureció la piedra pómez negra era un oxidante. Los altos contenidos de agua y fO2 son dos características fundamentales de los magmas formados en las zonas de subducción y se adquieren cuando los fundidos primarios hidratados reaccionan con el manto circundante28.

Dadas las texturas contrastantes de los vidrios marrones e incoloros y el límite nítido entre ellos, la diferencia en los dos magmas debe haberse generado antes de la erupción, posiblemente en el reservorio de magma. Los límites de gradación entre el vidrio marrón e incoloro (Fig. 1c) se formaron por un proceso lento, por ejemplo, la oxidación difusiva del magma, o generados por la deformación del límite marrón e incoloro durante la erupción. La aparición común de piedra pómez negra y gris en bandas y mezclada18,20 también sugiere la cristalización de nanolitas en el depósito de magma. Los experimentos con magmas máficos mostraron que la cristalización de nanolitos comienza a temperaturas más altas pero a un ritmo más lento en condiciones oxidadas29, lo que demuestra que la oxidación puede promover la cristalización de nanolitos.

Los experimentos de calentamiento en condiciones atmosféricas utilizando piedra pómez riolítica del volcán Havre mostraron que la piedra pómez calentada durante > 5 min a > 700 °C se volvió rosada debido a la oxidación de los nanolitos de magnetita y su transformación en hematita30. Esos autores sugirieron que la aparición común de piedra pómez rosa en la balsa de piedra pómez de Havre de 2012 evidenciaba que la columna de agua de la erupción explosiva era tan poderosa que la piedra pómez había sufrido oxidación de hierro atmosférico a alta temperatura. En contraste, no se observó piedra pómez rosa oxidada en la balsa de piedra pómez FOB 2021. Se ha informado de la oxidación del sulfuro de hierro a magnetita en la piedra pómez FOB18, aunque no se ha observado una mayor oxidación. Las observaciones satelitales de una vigorosa pluma blanca durante la erupción FOB de 2021 sugieren que fue una erupción rica en agua y que la balsa de piedra pómez se generó en un respiradero submarino16. La oxidación limitada de la piedra pómez es consistente con las observaciones satelitales. Además, las características de los nanolitos (Fig. 1d-g) son claramente diferentes de las de las cenizas recicladas que una vez han sido expulsadas y caídas en el conducto de ventilación caliente31. Esto sugiere que la mezcla de la piedra pómez negra con la piedra pómez gris, que formaba el límite nítido entre el vidrio marrón y el incoloro, tuvo lugar en el conducto (Fig. 4).

Producción de piedra pómez durante la erupción FOB de 2021. (a) El agente oxidante y el olivino alto en Mg fueron suministrados por magma máfico caliente, que mejoró la cristalización de nanolitos de magnetita. La nucleación de burbujas heterogéneas comenzó primero en el dominio rico en nanolitos. (b) El magma burbujeante se volvió flotante e inició la convección en el depósito de magma, lo que mejoró el rejuvenecimiento de la masa cristalina. (c) Una erupción comenzó cuando la presión crítica fue producida por la nucleación de burbujas en el magma rejuvenecido.

La formación de nanolitos y los procesos de erupción relacionados se pueden resumir de la siguiente manera (Fig. 4). El magma máfico caliente (~ 1250 °C18) derivado de la parte más profunda de la zona de subducción es una pista para desencadenar la erupción. Una vez que el magma primario hidratado y altamente oxidado se inyectó en el fondo del reservorio de magma FOB, suministró un fluido oxidante al magma traquítico FOB. La cristalización de nanolitos inducida por oxidación puede mejorar la nucleación de burbujas heterogéneas32,33,34 y, por lo tanto, una parte de la masa fundida oxidada en la cámara de magma se volvió flotante. El fundido burbujeante que contiene nanolitas comenzó a ascender e inició la convección en el depósito de magma FOB, lo que posiblemente indujo una nucleación de burbujas adicional en las otras partes del depósito. La convección mejoró el rejuvenecimiento del depósito de magma, produciendo sobrepresión y provocando una erupción.

Paredes-Mariño et al.35 demostraron que los fragmentos macroscópicos de magma más caliente inyectados en un reservorio de magma proporcionan sitios para la nucleación de burbujas heterogéneas e inician la convección. Aunque se pueden identificar fragmentos del magma máfico inyectado, como enclaves negros y olivino con alto contenido de Mg, en la piedra pómez FOB18,20, la relación más alta de Fe3+/ΣFe del vidrio marrón indica claramente que la cristalización de nanolitos inducida por oxidación desempeñó un papel importante en la nucleación de burbujas heterogéneas. Los límites definidos entre la piedra pómez negra y gris formados por la coalescencia de dos tipos de piedra pómez en el conducto durante la erupción (Fig. 4). La microestructura contrastante de la piedra pómez negra y gris también indica la coalescencia de dos piedras pómez (magma) durante o después del burbujeo. De acuerdo con este escenario, la nucleación de burbujas ocurrió antes en la piedra pómez negra, mientras que estaba en el reservorio de magma, ya que los nanolitos de magnetita proporcionaron sitios de nucleación25. Por el contrario, la nucleación de burbujas se produjo en la piedra pómez gris durante la convección y su ascenso por el conducto, en consonancia con las vesículas más grandes en la piedra pómez negra y las vesículas más pequeñas en la piedra pómez gris (Figs. 1a, 2e).

Un perfil de difusión en un grano de olivino con alto contenido de Mg indicó que el magma máfico se inyectó en el reservorio antes de las 14 horas a los 50 días de la erupción, suponiendo que mantuviera su temperatura original (~ 1250 °C)18. La viscosidad de la traquita fundida36 con ~ 12 % vol. de cristales nanoscópicos puede ser de 104–105 Pa·s a ~ 900 °C, lo que sugiere que el magma comenzó a convección ~ 10 días después de que se inyectó el magma más caliente, si se utiliza un modelo simple de dos capas se suponía37. La cristalización de nanolitos inducida por oxidación y la nucleación de burbujas propuestas aquí conducen a una mayor convección en comparación con un modelo de convección de calor simple, es decir, la escala de tiempo de la convección puede ser más corta. En consecuencia, la escala de tiempo esperada para el inicio de la convección del magma, de varias horas a días, podría haber preservado la nanolita precipitada en la piedra pómez negra.

La erupción FOB de 2021 produjo un gran volumen de piedra pómez, la mayor parte de la cual era piedra pómez gris sin nanolitos, con una pequeña cantidad de piedra pómez negra que contenía nanolitos. La aparición de piedra pómez libre de nanolitos y que contiene nanolitos sugiere que los nanolitos se formaron en el depósito de magma. Los análisis XANES y las observaciones TEM muestran que la piedra pómez negra que contiene nanolitas se oxidó e hidrató, lo que sugiere que un flujo de fluido oxidado del magma máfico caliente subyacente indujo la cristalización de nanolitas y la nucleación de burbujas heterogéneas, lo que desencadenó la erupción explosiva. Nuestro estudio muestra que la oxidación por un fluido juega un papel vital en la cristalización de nanolitos.

Los análisis SEM se realizaron utilizando un microanalizador de sonda de electrones de cañón de emisión de campo (JEOL JXA-8500F) en la Agencia Japonesa de Ciencias y Tecnologías Marinas y Terrestres, Yokosuka, Japón.

Los análisis de nanolitas se realizaron utilizando un TEM (JEOL JEM-2100F) equipado con un espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (JEOL JED-2300T) en el Departamento de Geología y Mineralogía de la Universidad de Kyoto, Japón. Antes de los análisis TEM, la lámina delgada del área de interés se cortó utilizando un sistema de haz de iones enfocado (Thermo Scientific Helios Nanolab G3 CX) en el Departamento de Geología y Mineralogía de la Universidad de Kyoto, Japón.

La relación Fe3+/ΣFe del vidrio se determinó usando espectros XANES de borde K de Fe medidos en modo de fluorescencia a temperatura ambiente usando la línea de luz BL-4A en Photon Factory, Tsukuba, Japón. La corriente del anillo de almacenamiento de rayos X era de 450 mA. Los rayos X se enfocaron en un área de 6 × 4 μm. Las características espectrales se desconvolucionaron siguiendo el procedimiento de38, y las relaciones Fe3+/ΣFe se calcularon utilizando la fórmula para vidrio riolítico39.

La distribución bidimensional de la relación Fe3+/ΣFe se determinó cualitativamente usando espectros XAFS (estructura fina de absorción de rayos X) de borde K de Fe medidos usando la línea de luz NW2A en Photon Factory, siguiendo el procedimiento de40. Los espectros XAFS a energías de 7076–7321 eV se midieron en modo de transmisión utilizando un detector de 2048 × 1024 píxeles y una resolución espacial de ~ 4,5 × 4,5 μm en un área de ~ 15 × 3 mm. Los espectros XAFS se calibraron para las similitudes con los miembros finales de referencia de olivino (Fe2+) y andradita (Fe3+), y los valores calibrados pueden considerarse una medida cualitativa de la relación Fe3+/ΣFe.

El modelado de cristalización termodinámica se realizó utilizando MELTS_Excel23. Dado que el conjunto mineral informado de la piedra pómez FOB no contiene cuarzo, utilizamos la versión 1.2.x de riolita-MELTS.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

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Se agradece a R. Oyanagi de la Universidad de Kokushikan ya K. Yoshida y S. Tanaka de la Universidad de Tohoku por su ayuda durante el análisis 2D-XANES. Esta investigación fue financiada en parte por JSPS KAKENHI (concesión n.º JP19K14825 y JP19H01999 a KY, JP20H00198 y JP20H00205 a AM, JP 22K03755 a HI, JP18KK0376 a AO, JP19H00834 y JP22H05109 a MK, y JP21H01195 a YT) y NOZOMI Farm. Los análisis Micro-XANES se realizaron en BL4A (Propuesta No. 2020G008) y NW2A (Propuesta No. 2021G634 y 2022S2-001) de Photon Factory con la aprobación de la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía. Las revisiones críticas y constructivas de L. Gurioli, F. Arzilli y D. Di Genova, con el manejo editorial de A. Hildenbrand, mejoraron enormemente el manuscrito. Nos gustaría agradecer a Stallard Scientific Editing por la edición en inglés.

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KY concibió la idea del estudio, realizó el trabajo de campo y el análisis microscópico y redactó el manuscrito original. AM y SHO realizaron análisis TEM. Hola y S.Ok. contribuyó al análisis de spot de XANES. AO, YN y MK contribuyeron con el análisis 2D XANES. TS, YT y S.On. contribuyeron a la conceptualización del estudio. Todos los autores revisaron el borrador del manuscrito.

Correspondencia a Kenta Yoshida.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Yoshida, K., Miyake, A., Okumura, SH et al. La cristalización de nanolitas inducida por oxidación desencadenó la erupción de 2021 de Fukutoku-Oka-no-Ba, Japón. Informe científico 13, 7117 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34301-w

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Recibido: 22 diciembre 2022

Aceptado: 27 de abril de 2023

Publicado: 09 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34301-w

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