Observation in situ du verre

Communications Terre & Environnement volume 4, Numéro d'article : 155 (2023) Citer cet article

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Les cendres volcaniques provenant de la fragmentation du magma endommagent les infrastructures et l'environnement. L’expansion des bulles est cruciale dans la fragmentation du magma, mais les éruptions de faible intensité émettent fréquemment des cendres contenant moins de bulles. Nous avons mené ici des expériences de tension sur une masse fondue de silicate à haute température, à laquelle la masse fondue s'allonge ou se fracture en fonction de la vitesse de déformation. Une fracture se produit par l'apparition d'une fissure sur la tige de silicate fondu, suivie d'une génération de petits fragments. La surface de fracture présente une dichotomie de régions lisses et rugueuses, similaire à celles observées sur les surfaces de fracture du verre à température ambiante. La région de surface rugueuse génère de petits fragments. Il est intéressant de noter que les courbes contrainte-déformation mesurées indiquent que la fragmentation se produit sous déformation visqueuse. Ces résultats suggèrent que le silicate fond sous l’effet d’une déformation visqueuse, comme le fait le verre à température ambiante. La ductilité autour de la pointe de la fissure favorise la nucléation et la coalescence des vides, provoquant la ramification de la fissure pour générer des cendres volcaniques fines et denses.

La fragmentation du magma est le mécanisme clé qui détermine si les éruptions sont explosives1,2. Les éruptions explosives produisent des cendres volcaniques, qui affectent l'environnement et la société humaine3,4. La taille, la répartition et la forme des cendres modifient leur dispersion et leur temps de séjour dans l'atmosphère. Les magmas fragmentés ont différentes tailles et morphologies en fonction de leurs compositions et de leurs styles d'éruption5,6,7,8,9,10,11,12. L'analyse des cendres volcaniques révèle diverses formes ; certaines cendres préservent les bulles présentes avant la fragmentation, tandis que d'autres sont exemptes de bulles5,6,8. Les cendres générées par les explosions de cendres après les éruptions stromboliennes et par les éruptions vulcaniennes sont relativement denses et contiennent peu de bulles13,14,15,16,17. Les éruptions vulcaniennes génèrent des cendres relativement plus fines que les autres éruptions explosives avec des zones de dispersion similaires18,19.

Le magma est un fluide visqueux mais peut se fragmenter de manière fragile lorsque la déformation est rapide par rapport à l'échelle de temps de relaxation20,21,22. Le nombre de Déborah, De \(={\tau }_{{{{{{{{\rm{c}}}}}}}}}\cdot \dot{\gamma }\), caractérise l'échelle de temps de déformation par rapport au temps de relaxation, où \(\dot{\gamma }\) est la vitesse de déformation, et τc = η0/G∞ est le temps de relaxation. Ici, η0 est la viscosité de cisaillement à une vitesse de déformation nulle et G∞ est le module de cisaillement à une vitesse de déformation infiniment élevée. Une expérience d'allongement à l'état fondu montre que De > 0,01 est un seuil de fragmentation fragile23. Ce seuil est également applicable au magma cristallin24. Une compilation ultérieure suggère que 0,01 < De < 0,04 est transitoire et que De > 0,04 provoque une défaillance fragile22. Fait intéressant, De = 0,01 est dans le régime où la vitesse de déformation est suffisamment lente \(\dot{\gamma } \, < \, 1/{\tau }_{{{{{{{{{\rm{c}} }}}}}}}\) pour provoquer une déformation visqueuse, mais une fragmentation semblable à un solide est observée. Ce seuil est largement utilisé pour modéliser la fragmentation du magma dans un conduit25,26,27. La fracture fragile augmente la porosité et la perméabilité, affectant le style d'éruption28. La rhéologie du magma dépend de la vitesse de déformation23,29. Cependant, la rhéologie au moment de la fragmentation n’a pas encore été directement mesurée. Une déformation rapide permet le développement de contraintes dans la matière fondue entourant les bulles du magma30. Des expériences de décompression rapide de type tube à choc montrent que le magma bouillonnant subit une fragmentation fragile lorsque le produit de la surpression et de la fraction volumique des bulles dépasse une valeur critique, ΔPϕ > σ031. Des fragments plus petits se forment à des ΔPϕ32,33 plus grands. Selon cette mise à l'échelle, la fragmentation est provoquée par la phase gazeuse sous pression dans les bulles préexistantes. Il n'est pas clair si des cendres volcaniques denses générées par les éruptions stromboliennes et vulcaniennes, avec peu de bulles et non accompagnées de pierres ponces/scories, peuvent être produites par ce mécanisme.

\, 0.01\). Here, the low-temperature experiments were not conducted in a wide range of strain rates, and the relaxation time was estimated from the measured viscosity for each experiment. The viscosity at zero strain rate can be larger, which can also increase τc, as indicated by arrows (Fig. 8c)./p> \, 0.01/{\tau }_{{{{{{{{\rm{c}}}}}}}}}\) is in the elastic deformation regime, different from previous models based on the Maxwell model and rheology measurements at small strain amplitudes (Supplementary Fig. 3a, b). We thus consider the prefactor of 0.01 used for the fragmentation threshold can vary with the strain, strain rate, and geometry of deformation (for details, see the “Methods” section). In the previous experiments, fragmentation is not reported in the regime of \(\dot{\gamma } \, < \, 0.01/{\tau }_{{{{{{{{\rm{c}}}}}}}}}\), but it occurs in our experiments (Fig. 8c). This discrepancy may arise because previous experiments in the viscous regime have been conducted under compression/shear deformation22,24 while we elongated the rod samples. The tensional deformation efficiently makes voids to be nucleation sites of cracks, causing fragmentation of viscously deforming melt./p> 1, a Maxwell fluid is liquid-like and solid-like, respectively, and viscoelastic characteristics are observed around ωτc ~ 1. Using Eq. (3), we can calculate the complex modulus \(| {E}^{* }| ={({E}^{{\prime} 2}+{E}^{{\prime\prime} 2})}^{1/2}\) and complex viscosity ∣η*∣ = ∣E*∣/(3ω), which depend on ω as shown in Supplementary Fig. 2b. For ωτc < 1, the complex Young’s modulus increases with increasing ω, whereas, for ωτc > 1, the complex shear viscosity decreases. As a result, the ratio 3∣η*∣/∣E*∣, which is similar to the time scale of τ ~ 3η/E, also depends on ω as 3∣η*∣/∣E*∣ ∝ ω−1. Polymer melts and solutions often exhibit similar dependence on the strain rate and angular frequency, which is known as the “Cox–Merz ruls.” That is, the complex viscosity as a function of frequency is almost identical to the shear viscosity as a function of strain rate: \(| {\eta }^{* }| (\omega ) \sim \eta (\dot{\gamma })\). According to this analogy, \(| {E}^{* }| (\omega ) \sim E(\dot{\gamma })\)./p> \, 0.01/{\tau }_{{{{{{{{\rm{c}}}}}}}}}\)20. We here discuss using 0.01 for simplicity, although the prefactor may have a range from 0.01 to 0.0422. We estimate τc from Supplementary Fig. 3a, b and summarize the results in Table 1. We assume that the measured maximum values for each material are the same as the infinite values. For most of the soda glasses, η0 ~ 1.1 × 1010 Pa s and E∞ ~ 24 GPa; for the haploandesite, η0 ~ 2.4 × 109 Pa s and E∞ ~ 23 GPa. Consequently, τc ~ 1.3 s and τc ~ 0.31 s, respectively. For the cold glass and glass with preheating at 820 °C, we do not have data showing the strain rate dependence; therefore, we used τ ~ τc./p> \, 0.01/{\tau }_{{{{{{{{\rm{c}}}}}}}}}\). Note that the τc2 obtained by small amplitude oscillatory measurements is consistent with the ordinary relaxation time, τc2 = τc (Cox-Merz rule). At the small amplitude rheology measurements, the non-Newtonian behaviour becomes apparent at a time scale of 100τc, which has been interpreted as the origin of the prefactor 0.0120,22. However, glass rheology depends on deformation amplitude and strain rate62. The deformation geometry also can affect the rheology of a complex fluid. We thus infer that the “Cox-Merz rule” breaks with large strain at a high strain rate under the extensional geometry. The prefactor of 0.01 can depend on the strain, strain rate, and deformation geometry./p>

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