11.7.5.3 popiół wulkaniczny
VA wybuchowy z wulkanu składa się zazwyczaj z mieszaniny odłamków pumeksu / szkła (zasadniczo gaszonej magmy), fragmentów starszych skał z wulkanu i zmiennych proporcji kryształów lub fragmentów kryształów różnych krzemianów i innych mniej obfitych rodzajów minerałów. Rysunek 1 (a) pokazuje zakurzone warunki w Homer na Alasce, utworzone przez popiół z erupcji 4 kwietnia 2009 Mt. Reduta oddalona o około 105 km.,
odnotowano Ostre skutki dla zdrowia układu oddechowego związane z ekspozycją na VA, takie jak astma, podrażnienie dróg oddechowych i możliwe związane z tym problemy krążeniowo-oddechowe. Te w części wynikają z ekspozycji na wysokie poziomy unoszących się w powietrzu lub ponownie zawieszonych cząstek popiołu, które mogą być wdychane głęboko do oskrzelowych lub pęcherzykowych części dróg oddechowych (< 2.5 do 10 µm)., Ponieważ Chmura popiołu z pojedynczej erupcji porusza się z wiatrem, grubsze i cięższe cząstki mają tendencję do osiadania, a więc udział cząstek popiołu w najmniejszych zakresach wielkości zwykle znacznie wzrasta w porównaniu do tych w grubszych zakresach wielkości, ale zmniejsza się całkowita masa (Rysunek 2). Rozkład wielkości cząstek popiołu może się również różnić w zależności od rodzaju erupcji i dynamiki, nawet w różnych erupcjach z tego samego wulkanu., Jak zauważyli Horwell and Baxter (2006), cząstki popiołu mają silną tendencję do grudania się, więc jest prawdopodobne, że proporcja cząstek popiołu, które są faktycznie oddychane, może być znacznie mniejsza niż ilości stwierdzone za pomocą analizy laserowej wodnej zawiesiny popiołu. Opady deszczu mogą zmienić rozkład wielkości cząstek osadzonych osadów popiołu, być może selektywnie usuwając drobniejszą frakcję poprzez Spływ (Rysunek 2).
Rysunek 2., Wykres ten pokazuje rozkład wielkości cząstek (określony za pomocą lasera Malvern Mastersizer) złóż popiołu z 18 May 1980 Mt. Erupcja St. Helens, Stan Waszyngton, Stany Zjednoczone, zebrana w coraz większych odległościach z wiatrem od wulkanu. Przybliżone górne granice wielkości o znaczeniu fizjologicznym są również pokazane na wykresie.
morfologia cząstek popiołu może również odgrywać rolę w podrażnieniu dróg oddechowych., Na przykład ostre krawędzie odłamków szkła i połamanych kryształów (ryc. 3) mogą powodować ścieranie tkanek wyściełających drogi oddechowe i oczy.
Rysunek 3. Nowoczesne oprogramowanie do analizy obrazu w skaningowej mikroskopii elektronowej (sem) umożliwia stosunkowo szybką ocenę ilości poszczególnych minerałów w próbce DM. Ten obraz SEM jest mapą elementów popiołu z erupcji wulkanu Mount Merapi 2010 w Indonezji., Okręgi podkreślają fazy, w których krzemionka jest jedynym składnikiem (magenta) i pokazują, że wiele ziaren tylko krzemionki jest większych niż 15-25 µm średnicy i są przyłączone do innych ziaren mineralnych. Oprogramowanie do obrazowania umożliwia obliczenie arealnego procentu faz tylko krzemionkowych obecnych w próbce, w tym przypadku około 2% ziaren. Analiza została przeprowadzona przez Heather Lowers, USGS.,
potencjalna toksyczność respirabilnej krzemionki krystalicznej w VA od pewnego czasu budzi obawy z perspektywy zdrowia układu oddechowego (Horwell and Baxter, 2006; Horwell et al., 2010)., Liczba szczegółowych badań epidemiologicznych lub toksykologicznych specyficznych dla VA jest ograniczona, a te, które zostały przeprowadzone do tej pory na populacjach narażonych na VA, niekoniecznie są rozstrzygające w odniesieniu do ryzyka rozwoju silikozy, niespecyficznej pneumokoniozy lub innych chorób płuc (takich jak rak płuc lub przewlekła obturacyjna choroba płuc), które są częściej związane z narażeniem w miejscu pracy na wysokie poziomy stosunkowo czystej krystalicznej krzemionki (Horwell and Baxter, 2006)., Cristobalit, odmiana krzemionki krystalicznej, jest najbardziej obfity w popiół z erupcji, które wynikają z zapadania się kopuł wulkanicznych (Horwell and Baxter, 2006). Cristobalit tworzy się początkowo przez bezpośrednie osadzanie się gazów wulkanicznych w pęknięciach kopuły. Identyfikacja cristobalitu w va za pośrednictwem XRD wymaga specjalistycznej wstępnej obróbki popiołu ze względu na pokrywanie się piku Xrd z kalcytowym plagioklazą (Horwell et al., 2010)., Jednak stosunkowo nowe metody mapowania pierwiastków i analizy przy użyciu SEM mogą zapewnić stosunkowo szybkie wskazanie proporcji faz czystej krzemionki wraz z kluczowymi informacjami na temat ich wystąpień i rozkładu wielkości w osiadłych próbkach popiołu (Rysunek 3). Należy zauważyć, że potencjalna toksyczność krzemionki krystalicznej maleje, ponieważ jest ona rozcieńczana przez inne minerały glinokrzemianowe, a taki łagodzący efekt może wyraźnie wystąpić w przypadku VA, biorąc pod uwagę obfitość innych minerałów krzemianowych i szkła (Horwell and Baxter, 2006; Plumlee and Ziegler, 2007).,
Fluoroza u zwierząt gospodarskich, przyrody i rzadziej u ludzi jest również kolejnym ważnym problemem zdrowotnym w niektórych geologicznie korzystnych wulkanach, gdzie procesy magmowe lub erupcje prowadzą do stosunkowo bogatego w fluor popiołu, takich jak erupcje wulkanu Eyjafjallajökull w 2010 r.i inne erupcje wulkanu na Islandii; małe erupcje krateru Halema ' uma ' u, wulkan Kilauea, Hawaje; 1995-96 erupcje Ruapehu, Nowa Zelandia; i erupcja Oldoinyo Lengai w 2007 r., Tanzania., Fluor, wraz z siarczanem, chlorkiem, kwasem i niektórymi metalami śladowymi, może być związany w stosunkowo rozpuszczalnych solach w VA lub jest luźno sorbowany na powierzchniach cząstek VA (Witham et al., 2005). W większości VA te sole lub sorbowane gatunki są stosunkowo małym składnikiem całkowitego popiołu (w porównaniu z dużą objętością szkła i cząstek mineralnych)i wynikają z interakcji cząstek popiołu z powietrzem i składnikami gazowymi (w tym kwaśnymi gazami) pióropusza wulkanicznego (Witham et al., 2005)., W przypadku większości VA z systemów bogatych w fluor, fluor jest stosunkowo obfity i rozpuszczalny w wodzie-albo fluor jest wymywany do wód powierzchniowych, które są zużywane, lub bioaccessible fluor jest rozpuszczony z popiołu, który jest zużywany wraz z paszą przez wypas dzikich zwierząt lub zwierząt gospodarskich. W przypadku erupcji popiołu, takich jak te, obecność rozpuszczalnego w wodzie fluoru jest łatwo wykrywana za pomocą testów odcieków wodnych, takich jak USGS Field Leach Test (Hageman, 2007b)., W przypadku Ruapehu testy odcieków wodnych nie wykazały znaczących ilości fluorku rozpuszczalnego w wodzie, jednak kilka tysięcy owiec zmarło na fluorozę po wybuchu. Cronin et al. (2003) stwierdził, że freatomagmatyczny charakter niektórych erupcji Ruapehu doprowadził do powstania fluorków wapnia i glinu/faz fosforanowych w popiole, które są trudno rozpuszczalne w wodzie, ale znacznie bardziej rozpuszczalne w układzie trawiennym wypasanych zwierząt. Morman and Plumlee (2010) oraz Caulkins et al., (2010) applied gastric IVBAs to examine whether such tests can better predict potential fluorosis hazards via an accidental VA ingestion.
wyniki testu polowego USGS na próbkach popiołu, który został złożony na sucho, a następnie nie padał deszcz (Hageman, 2007b; Wang et al., 2010) sugerują, że od większości wód powierzchniowych należy oczekiwać krótkotrwałego przepłukiwania kwasu, anionów i niektórych metali do wód deszczowych lub powierzchniowych., Popiół, który został deszczowany lub pochodzi z erupcji freatomagmatycznych z udziałem znacznej wody, wytwarza znacznie wyższy odczyn pH z wysokim poziomem głównych kationów i niższymi poziomami metali śladowych (Wang et al., 2010) ze względu na wcześniejsze płukanie składników rozpuszczalnych i dłuższy czas reakcji chemicznych między roztworami odcieków i cząstkami popiołu. Wyniki te sugerują, że potencjał uwalniania kwasu i metali z popiołu prawdopodobnie zmniejszy się znacznie w czasie w wyniku interakcji z opadami deszczu.,
w przeciwieństwie do popiołu z krzemianów i szkła zdominowanego przez większość erupcji, popiół z serii stosunkowo małych erupcji w 2008-09 w kraterze na szczycie Halema ' uma ' u, wulkan Kīlauea na Hawajach, zawierał wysoki udział siarczanów wapnia i złożonych faz zawierających żelazo, chlorek, siarczan, glin, fosforan i inne pierwiastki, które powstały jako bezpośrednie wytrącenia z gazów magmowych na powierzchniach pęknięć skał ściennych w pobliżu powierzchni krateru., Zapadanie się skał ściennych do gardła krateru utrudniło przepływ gazu, prowadząc do nadmiernego ciśnienia i ewentualnego wybuchowego uwolnienia materiału bogatego w osad (Houghton et al., 2011). Ze względu na wysoki udział tych osadów w ejecta, odcieki wodne z próbek popiołu Halema ' uma ' u są najbardziej kwaśne i mają najwyższe stężenia rozpuszczalnego fluoru i różnej zawartości metali, które mierzyliśmy za pomocą testu polowego USGS.,
VA z wulkanu Oldoinyo Lengai w Tanzanii jest dość egzotyczny ze względu na natrocarbonattic, bogaty w dwutlenek węgla charakter magm (Mitchell and Dawson, 2007). Obfitość niezwykłych faz węglanowych wytwarza najwyższe pH odcieków z dowolnego VA, które przeanalizowaliśmy. Zarówno odcieki wodne, jak i żołądkowe mają bardzo wysokie stężenia fluoru i pierwiastków egzotycznych (dla odcieków VA), takich jak molibden, arsen i wanad., Fluoroza, która byłaby przewidywalna na podstawie tych wyników, była dobrze znana od lat ze względu na bogatą w fluor naturę skał wulkanicznych w regionie. Jednak wyniki zwiększają również możliwość wystąpienia toksyczności z innych pierwiastków, które mogą być mniej znane. Na przykład rozpuszczalne poziomy molibdenu w dziesiątkach ppm sugerują, że molibdenoza u zwierząt, które pasą się w obszarach dotkniętych popiołem lub w obszarach o składzie podobnych skał wulkanicznych może być wiarygodnym problemem.,
uwaga skupiła się dopiero stosunkowo niedawno na potencjalnych skutkach zdrowotnych generowania ROS przez metale uwalniane z respired va. Horwell et al. (2003) odkryli, że popiół z wulkanu Soufrière Hills ma wysoką reaktywność powierzchniową i generuje wysoki poziom ROS, który przypisali uwalnianiu żelaza z popiołu. Ostatnio Horwell et al. (2007) odkrył, że popiół bazaltowy generuje znacznie bardziej radykalne gatunki w acelularnych eksperymentach laboratoryjnych niż bardziej krzemowy popiół, ponownie postulowany jako wynik uwalniania żelaza., Siarczki żelaza, które wykazały, że generują wysoki poziom ROS w eksperymentach laboratoryjnych (Harrington and Schoonen, 2012), są obecne do jednego lub dwóch procent objętościowych w popiole krzemowym, który badaliśmy z wielu wulkanów. Nie jest jasne, czy te siarczki są obecne w wystarczająco wysokich poziomach, aby w znacznym stopniu przyczyniać się do wytwarzania ROS przez, a tym samym toksyczności, VA.
przeprowadziliśmy Ivba na popiołach z wielu różnych wulkanów i erupcji, używając płynów modelujących płuca i płynów na bazie surowicy jako płynów ekstrakcyjnych., Wyniki sugerują, że różne pierwiastki o zmiennej redoks, takie jak mangan, miedź, ceru i inne, mogą być raczej biodostępne z odparowanych cząstek popiołu, w wielu próbkach popiołu nawet bardziej niż żelazo. Konieczne są dalsze prace, aby zrozumieć, czy te elementy mogą również przyczynić się do wytwarzania ROS i potencjalnej toksyczności VA.