Volátil (astrogeología)

Algunas erupciones volcánicas son explosivas debido a la mezcla entre el agua y el magma que llega a la superficie, lo que libera energía repentinamente. Sin embargo, en algunos casos, la erupción es causada por volátiles disueltos en el propio magma. ^{[ 2 ]} Al acercarse a la superficie, la presión disminuye y los volátiles se precipitan, creando burbujas que circulan en el líquido . Las burbujas se conectan entre sí, formando una red. Esto favorece la fragmentación en pequeñas gotas , aerosoles o coagulación de coágulos en el gas . ^{[ 2 ]}

Generalmente, entre el 95 % y el 99 % del magma es roca líquida. Sin embargo, el pequeño porcentaje de gas presente representa un volumen muy grande cuando se expande al alcanzar la presión atmosférica . Por lo tanto, el gas es importante en un sistema volcánico porque genera erupciones explosivas. ^{[ 2 ]} El magma en el manto y la corteza inferior tiene un alto contenido de volátiles. El agua y el dióxido de carbono no son los únicos volátiles que liberan los volcanes ; otros volátiles incluyen sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre . El dióxido de azufre es común en rocas basálticas y riolíticas . Los volcanes también liberan una gran cantidad de cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno como volátiles. ^{[ 2 ]}

Hay tres factores principales que afectan la dispersión de volátiles en el magma: la presión de confinamiento , la composición del magma y la temperatura del magma. La presión y la composición son los parámetros más importantes. ^{[ 2 ]} Para comprender cómo se comporta el magma al ascender a la superficie, es necesario conocer el papel de la solubilidad dentro del magma. Se ha utilizado una ley empírica para diferentes combinaciones de magma y volátiles. Por ejemplo, para el agua en el magma, la ecuación es n = 0,1078 P, donde n es la cantidad de gas disuelto en porcentaje en peso (% en peso) y P es la presión en megapascales (MPa) que actúa sobre el magma. El valor cambia; por ejemplo, para el agua en la riolita, n = 0,4111 P, y para el dióxido de carbono, n = 0,0023 P. Estas ecuaciones simples funcionan si solo hay un volátil en el magma. Sin embargo, en la realidad, la situación no es tan simple, ya que a menudo hay múltiples volátiles en el magma. Se trata de una interacción química compleja entre diferentes volátiles. ^{[ 2 ]}

Simplificando, la solubilidad del agua en la riolita y el basalto es función de la presión y la profundidad bajo la superficie en ausencia de otros volátiles. Tanto el basalto como la riolita pierden agua al disminuir la presión a medida que el magma asciende a la superficie. La solubilidad del agua es mayor en la riolita que en el magma basáltico. El conocimiento de la solubilidad permite determinar la cantidad máxima de agua que podría disolverse en relación con la presión. ^{[ 2 ]} Si el magma contiene menos agua que la cantidad máxima posible, está subsaturado en agua. Por lo general, existen cantidades insuficientes de agua y dióxido de carbono en la corteza profunda y el manto, por lo que el magma suele estar subsaturado en estas condiciones. El magma se satura cuando alcanza la cantidad máxima de agua que puede disolverse en él. Si el magma continúa ascendiendo a la superficie y se disuelve más agua, se sobresatura . Si se disuelve más agua en el magma, puede ser expulsada en forma de burbujas o vapor de agua. Esto sucede porque la presión disminuye en el proceso y la velocidad aumenta, y el proceso también debe equilibrar la disminución de la solubilidad y la presión. ^{[ 2 ]} Haciendo una comparación con la solubilidad del dióxido de carbono en el magma, esta es considerablemente menor que la del agua y tiende a exsolverse a mayor profundidad. En este caso, el agua y el dióxido de carbono se consideran independientes. ^{[ 2 ]} Lo que afecta el comportamiento del sistema magmático es la profundidad a la que se liberan el dióxido de carbono y el agua. La baja solubilidad del dióxido de carbono significa que comienza a liberar burbujas antes de llegar a la cámara magmática. El magma en este punto ya está sobresaturado. El magma enriquecido en burbujas de dióxido de carbono asciende hasta el techo de la cámara y el dióxido de carbono tiende a filtrarse a través de grietas hacia la caldera suprayacente. ^{[ 2 ]} Básicamente, durante una erupción el magma pierde más dióxido de carbono que agua, que en la cámara ya está sobresaturada. En general, el agua es el principal volátil durante una erupción. ^{[ 2 ]}

La nucleación de burbujas ocurre cuando un volátil se satura . En realidad, las burbujas están compuestas de moléculas que tienden a agregarse espontáneamente en un proceso llamado nucleación homogénea . La tensión superficial actúa sobre las burbujas reduciendo la superficie y forzándolas a regresar al líquido. ^{[ 2 ]} El proceso de nucleación es mayor cuando el espacio para acomodarse es irregular y las moléculas volátiles pueden mitigar el efecto de la tensión superficial. ^{[ 2 ]} La nucleación puede ocurrir gracias a la presencia de cristales sólidos , que se almacenan en la cámara magmática. Son sitios potenciales perfectos de nucleación para burbujas. Si no hay nucleación en el magma, la formación de burbujas puede aparecer muy tarde y el magma se sobresatura significativamente. El equilibrio entre la presión de sobresaturación y los radios de las burbujas se expresa mediante esta ecuación: ∆P=2σ/r, donde ∆P es 100  MPa y σ es la tensión superficial. ^{[ 2 ]} Si la nucleación comienza más tarde cuando el magma está muy sobresaturado, la distancia entre las burbujas se vuelve menor. ^{[ 2 ]} Básicamente, si el magma asciende rápidamente a la superficie, el sistema estará más desequilibrado y sobresaturado. Cuando el magma asciende, existe una competencia entre la adición de nuevas moléculas a las existentes y la creación de otras nuevas. La distancia entre las moléculas caracteriza la eficiencia de los volátiles para agregarse al sitio nuevo o existente. Los cristales dentro del magma pueden determinar cómo crecen y se nuclean las burbujas. ^{[ 2 ]}