11.7.5.3 di Cenere Vulcanica
VA scoppiata esplosiva di un vulcano è in genere composto da una miscela di pomice/schegge di vetro (essenzialmente magma raffreddato), frammenti di antiche rocce del vulcano, e proporzioni variabili di cristalli o di cristallo frammenti di vari silicati e altri meno abbondanti minerali tipi. Figura 1 (a) mostra le condizioni polverose in Homer, Alaska, creato da ashfall dal 4 aprile 2009 eruzione del Monte. Ridotta a circa 105 km di distanza.,
Sono stati notati effetti sulla salute respiratoria acuta da esposizioni a VA, come asma, irritazione delle vie respiratorie e possibili problemi cardiopolmonari correlati. Questi in parte derivano da esposizioni ad alti livelli di particelle di cenere sospese nell’aria o risospese che possono essere inalate in profondità nelle porzioni bronchiolari o alveolari del tratto respiratorio (< da 2,5 a 10 µm)., Mentre la nube di cenere da una singola eruzione si sposta sottovento, le particelle più grossolane e più pesanti tendono a depositarsi, e quindi la proporzione di particelle di cenere nelle fasce di dimensioni più piccole aumenta in genere sostanzialmente rispetto a quelle nelle fasce di dimensioni più grossolane, ma diminuisce in massa totale (Figura 2). La distribuzione delle dimensioni delle particelle di cenere può anche variare in funzione del tipo di eruzione e della dinamica, anche in eruzioni diverse dallo stesso vulcano., Come notato da Horwell e Baxter (2006), le particelle di cenere hanno una forte tendenza a raggrupparsi, quindi è probabile che la proporzione di particelle di cenere che sono effettivamente respirate possa essere molto più piccola delle quantità trovate tramite l’analisi laser di una sospensione acquosa di cenere. Le precipitazioni possono modificare la distribuzione granulometrica dei depositi di cenere sedimentati, eliminando forse selettivamente la frazione più fine attraverso il deflusso (Figura 2).
Figura 2., Questo grafico mostra la distribuzione granulometrica (come determinato utilizzando Laser Malvern Mastersizer) dei depositi di ceneri dal 18 maggio 1980 Mt. St. Helens eruzione, Stato di Washington, Stati Uniti, raccolti a distanze progressivamente maggiori sottovento dal vulcano. I limiti di dimensione superiore approssimativi di significato fisiologico sono anche mostrati sulla trama.
La morfologia delle particelle di cenere può anche svolgere un ruolo nell’irritazione delle vie respiratorie., Ad esempio, spigoli vivi su frammenti di vetro e cristalli rotti (Figura 3) possono causare abrasione dei tessuti che rivestono il tratto respiratorio e gli occhi.
Figura 3. Il moderno software di analisi delle immagini per microscopia elettronica a scansione (SEM) fornisce un mezzo per valutare in tempi relativamente brevi le quantità di particolari minerali in un campione DM. Questa immagine SEM è una mappa elemento di cenere dal 2010 eruzione del vulcano Merapi, Indonesia., I cerchi evidenziano le fasi in cui la silice è il costituente solitario (magenta) e mostrano che molti dei grani di sola silice sono maggiori di 15-25 µm di diametro e sono attaccati ad altri grani minerali. Il software di imaging consente di calcolare la percentuale areale di fasi di sola silice presenti nel campione, in questo caso circa il 2% dei grani. L’analisi è stata eseguita da Heather Lowers, USGS.,
La potenziale tossicità della silice cristallina respirabile in VA è stata per qualche tempo fonte di preoccupazione dal punto di vista della salute respiratoria (Horwell e Baxter, 2006; Horwell et al., 2010)., Il numero di informazioni epidemiologiche o studi tossicologici specifici VA è limitato, e quelle che sono state fatte finora su VA-popolazioni esposte non sono necessariamente determinante per quanto riguarda il rischio per lo sviluppo della silicosi, aspecifici pneumoconiosi, o altre malattie del polmone (come il cancro del polmone o malattia polmonare ostruttiva cronica) che sono più comunemente collegati all’esposizione sul luogo di lavoro ad alti livelli relativamente pura silice cristallina (Horwell e Baxter, 2006)., La cristobalite, una varietà di silice cristallina, è più abbondante in cenere dalle eruzioni che derivano dal crollo di cupole vulcaniche (Horwell e Baxter, 2006). La cristobalite si forma inizialmente per deposizione diretta da gas vulcanici nelle fratture della cupola. L’identificazione della cristobalite in VA tramite XRD richiede un pretrattamento specializzato della cenere a causa di una sovrapposizione di picco XRD con plagioclasio calcico (Horwell et al., 2010)., Tuttavia, metodi relativamente nuovi per la mappatura e l’analisi degli elementi utilizzando SEM possono fornire un’indicazione relativamente rapida della proporzione di fasi di silice pura insieme a informazioni chiave sulle loro occorrenze e distribuzione dimensionale nei campioni di cenere stabilizzata (Figura 3). È importante notare che la potenziale tossicità della silice cristallina diminuisce man mano che viene diluita da altri minerali di alluminosilicato, e un tale effetto mitigante potrebbe chiaramente verificarsi con VA, data l’abbondanza di altri minerali di silicato e vetro (Horwell e Baxter, 2006; Plumlee e Ziegler, 2007).,
La fluorosi nel bestiame, nella fauna selvatica e più raramente negli esseri umani è anche un’altra importante preoccupazione per la salute in alcuni vulcani geologicamente favorevoli in cui i magmi o i processi di eruzione portano a ceneri relativamente ricche di fluoro, come il 2010 Eyjafjallajökull e altre eruzioni vulcaniche islandesi; piccole eruzioni del cratere Halema’uma’u 2008-09, Vulcano Kilauea, Hawaii;., Il fluoruro, insieme al solfato, al cloruro, all’acido e ad alcuni metalli in traccia, può essere legato in sali relativamente solubili in VA o è vagamente sorbito su superfici di particelle VA (Witham et al., 2005). Nella maggior parte dei VA, questi sali o specie sorbite sono una componente relativamente piccola della cenere totale (rispetto al grande volume di vetro e particelle minerali) e derivano dalle interazioni delle particelle di cenere con l’aria e le componenti gassose (compresi i gas acidi) del pennacchio vulcanico (Witham et al., 2005)., Nel caso della maggior parte VA da sistemi ricchi di fluoro, il fluoro è relativamente abbondante e solubile in acqua-o il fluoro viene lisciviato nelle riserve idriche superficiali che vengono consumate o il fluoro bioaccessibile viene solubilizzato dalla cenere che viene consumata insieme al foraggio pascolando la fauna selvatica o il bestiame. Per eruzioni di cenere come queste, la presenza di fluoruro solubile in acqua viene prontamente rilevata da test di lisciviazione dell’acqua come il test di lisciviazione sul campo USGS (Hageman, 2007b)., Nel caso di Ruapehu, i test di lisciviazione dell’acqua non hanno indicato quantità significative di fluoro solubile in acqua, tuttavia diverse migliaia di pecore sono morte per fluorosi in seguito all’eruzione. Cronin et al. (2003) ha concluso che la natura freatomagmatica di alcune delle eruzioni di Ruapehu ha portato alla formazione di calcio e fluoruri di alluminio/fasi fosfatiche nella cenere, che sono scarsamente solubili in acqua ma molto più solubili nel sistema digestivo degli animali al pascolo. Morman e Plumlee (2010) e Caulkins et al., (2010) IVBAs gastrico applicato per esaminare se tali test possono prevedere meglio i potenziali rischi di fluorosi tramite un’ingestione accidentale di VA.
I risultati del test di lisciviazione sul campo USGS su campioni di cenere depositati a secco e non successivamente piovuti (Hageman, 2007b; Wang et al., 2010) suggeriscono che le vampate a breve termine di acido, anioni e alcuni metalli nell’acqua piovana o nelle acque superficiali dovrebbero essere previste dalla maggior parte dei VA., La cenere che è stata piovuta o che proviene da eruzioni freatomagmatiche che coinvolgono acqua significativa produce un percolato a pH sostanzialmente più alto con alti livelli di cationi principali e livelli più bassi di metalli in traccia (Wang et al., 2010) a causa del precedente lavaggio dei componenti solubili e del maggior tempo per le reazioni chimiche tra le soluzioni di percolato e le particelle di cenere. Questi risultati suggeriscono che il potenziale di rilascio di acido e metalli dalle ceneri è probabile che diminuisca sostanzialmente nel tempo a causa delle interazioni con le precipitazioni.,
In contrasto con il silicato e vetro, dominato cenere dalla maggior parte delle eruzioni di cenere da una serie di relativamente piccole eruzioni nel 2008-09 al Halema’uma u’cratere di vertice, Kīlauea vulcano, isole Hawaii, conteneva un’alta percentuale di solfati di calcio e complesse fasi che contengono ferro da stiro, cloruro, solfato di alluminio, fosfato, e altri elementi, che formano come diretta precipita dal magmatico gas sulle superfici di frattura della parete di rocce vicino alla superficie del cratere., Il crollo delle rocce murarie nella gola del cratere ha impedito il flusso di gas, portando alla sovrapressione e all’eventuale rilascio esplosivo del materiale ricco di precipitato (Houghton et al., 2011). A causa dell’elevata percentuale di questi precipitati nell’ejecta, i percolati d’acqua dei campioni di cenere di Halema’uma’u sono i più acidi e hanno le più alte concentrazioni di fluoro solubile e vari contenuti metallici, che abbiamo misurato utilizzando il test di lisciviazione sul campo USGS.,
Il VA del vulcano Oldoinyo Lengai in Tanzania è piuttosto esotico a causa della natura natrocarbonatitica e ricca di anidride carbonica dei magmi (Mitchell e Dawson, 2007). L’abbondanza di fasi di carbonato insolite produce i percolati di pH più alti di qualsiasi VA che abbiamo analizzato. Sia l’acqua che i percolati gastrici hanno concentrazioni estremamente elevate di fluoro e elementi esotici (per i percolati VA), come molibdeno, arsenico e vanadio., La fluorosi che sarebbe prevedibile sulla base di questi risultati è stata ben nota per anni a causa della natura ricca di fluoro delle rocce vulcaniche nella regione. Tuttavia, i risultati aumentano anche la possibilità di tossicità da altri elementi che potrebbero essere meno noti. Ad esempio, i livelli di molibdeno solubili nelle decine di ppm suggeriscono che la molibdenosi negli animali che pascolano nelle aree colpite dalla cenere o in aree di rocce vulcaniche composizionalmente simili può essere una preoccupazione plausibile.,
L’attenzione si è concentrata solo relativamente recentemente sui potenziali effetti sulla salute della generazione di ROS da parte dei metalli rilasciati dal VA respirato. Horwell et al. (2003) ha scoperto che la cenere del vulcano Soufrière Hills ha un’elevata reattività superficiale e genera alti livelli di ROS, che hanno attribuito al rilascio di ferro ferroso dalla cenere. Più recentemente, Horwell et al. (2007) ha scoperto che la cenere basaltica genera specie sostanzialmente più radicali in esperimenti di laboratorio acellulari rispetto a più ceneri siliciche, di nuovo postulato per derivare dal rilascio di ferro., I solfuri di ferro, che hanno dimostrato di generare alti livelli di ROS in esperimenti di laboratorio (Harrington e Schoonen, 2012), sono presenti fino all’uno o due percento in volume nelle ceneri siliciche che abbiamo studiato da un certo numero di vulcani. Non è chiaro se questi solfuri siano presenti in livelli abbastanza elevati da contribuire sostanzialmente alla generazione di ROS e quindi alla tossicità di VA.
Abbiamo effettuato IVBAS su ceneri provenienti da diversi vulcani ed eruzioni utilizzando simulanti di fluidi polmonari e fluidi a base di siero come fluidi di estrazione., I risultati suggeriscono che una varietà di elementi variabili redox, come manganese, rame, cerio e altri, possono essere piuttosto bioaccessibili dalle particelle di cenere respirate, in molti campioni di cenere ancora più del ferro. Sono necessari ulteriori lavori per capire se questi elementi potrebbero anche contribuire alla generazione di ROS e alla potenziale tossicità del VA.