11.7.5.3 vulkanisk aska
VA utbröt explosivt från en vulkan består i allmänhet av en blandning av pimpsten/glasskärmar (väsentligen släckt magma), fragment av äldre stenar från vulkanen och varierande proportioner av kristaller eller kristallfragment av olika silikater och andra mindre rikliga mineraltyper. Figur 1(A) visar de dammiga förhållandena i Homer, Alaska, skapad av ashfall från den 4 April 2009 utbrott av Mt. Redoubt är ungefär 105 km bort.,
akuta respiratoriska hälsoeffekter från exponering för VA har noterats, såsom astma, irritation i luftvägarna och eventuella relaterade hjärt-lungproblem. Dessa beror delvis på exponering för höga nivåer av luftburna eller resuspenderade askpartiklar som kan inandas djupt in i luftvägarnas bronkiolära eller alveolära delar (< 2,5 till 10 µm)., När askmolnet från ett enda utbrott rör sig nedåt, tenderar de grövre och tyngre partiklarna att lösa sig, och så ökar andelen askpartiklar i de minsta storleksklasserna väsentligt jämfört med de i grövre storleksklasser men minskar i total massa (Figur 2). Ash partikelstorleksfördelning kan också variera som en funktion av utbrott typ och dynamik, även i olika utbrott från samma vulkan., Som noterat av Horwell och Baxter (2006) har askpartiklar en stark tendens att klumpa, så det är troligt att andelen askpartiklar som faktiskt respireras kan vara mycket mindre än de mängder som finns via laseranalys av en vattenhaltig askupphängning. Nederbörden kan ändra partikelstorleksfördelningen av sedimenterade askfyndigheter, kanske selektivt avlägsna finare fraktionen genom avrinning (Figur 2).
Figur 2., Denna tomt visar partikelstorleksfördelningen (som bestäms med hjälp av Laser Malvern Mastersizer)av aska insättningar från 18 maj 1980 Mt. St. Helens utbrott, Washington State, USA, samlas på successivt större avstånd downwind från vulkanen. Ungefärliga övre storleksgränser av fysiologisk betydelse visas också på tomten.
askpartiklarnas morfologi kan också spela en roll vid irritation i luftvägarna., Till exempel kan skarpa kanter på glasskärvor och brutna kristaller (Figur 3) orsaka nötning av vävnaderna som kantar luftvägarna och ögonen.
Figur 3. Modern scanning electron microscopy (SEM) bildanalysprogramvara ger ett sätt att relativt snabbt bedöma mängderna av speciella mineraler i ett DM-prov. Denna SEM bild är ett element karta över aska från 2010 utbrott av Mount Merapi vulkanen, Indonesien., Cirklarna markerar faser där kiseldioxid är den ensamma beståndsdelen (magenta) och visar att många av kiseldioxidkornen är större än 15-25 µm i diameter och är fästa vid andra mineralkorn. Bildbehandlingsprogrammet gör det möjligt att beräkna arealprocenten av enbart kiseldioxid i provet, i detta fall cirka 2% av kornen. Analysen utfördes av Heather Lowers, USGS.,
den potentiella toxiciteten hos respirabel kristallin kiseldioxid i VA har varit oroande ur ett andningsperspektiv under en tid (Horwell och Baxter, 2006; Horwell et al., 2010)., Antalet detaljerade epidemiologiska eller toxikologiska studier som är specifika för VA är begränsad, och de som har gjorts hittills på VA-exponerade befolkningsgrupper inte nödvändigtvis är avgörande när det gäller risken för utveckling av silikos, ospecifik pneumoconiosis, eller andra lungsjukdomar (som lungcancer eller kol (kronisk obstruktiv lungsjukdom) som är mer vanligt är kopplade till arbetsplatsen exponeringar för höga halter av relativt ren kristallin kiseldioxid (Horwell och Baxter, 2006)., Cristobalite, en mängd kristallin kiseldioxid, är mest riklig i aska från utbrott som härrör från kollapsen av vulkaniska kupoler (Horwell och Baxter, 2006). Cristobaliten bildas initialt genom direkt avsättning från vulkaniska gaser i kupolfrakturerna. Cristobalite identifiering i VA via XRD kräver en specialiserad förbehandling av askan på grund av en XRD topp överlappning med calcic plagioclase (Horwell et al., 2010)., Relativt nya metoder för kartläggning och analys av element med hjälp av SEM kan dock ge en relativt snabb indikation på andelen rena kiselfaser tillsammans med viktig information om deras händelser och storleksfördelning i sedimenterade askprover (Figur 3). Det är viktigt att notera att den potentiella toxiciteten hos kristallin kiseldioxid minskar när den späds ut av andra aluminiumsilikatmineraler, och en sådan förmildrande effekt kan tydligt uppstå med VA, med tanke på överflöd av andra silikatmineraler och glas (Horwell och Baxter, 2006; Plumlee och Ziegler, 2007).,
Fluoros hos djur, vilda djur, och mer sällan på människor är också en annan viktig problem med sin hälsa på några geologiskt gynnsamma vulkaner där magmas eller utbrott processer leder till relativt fluor-rika aska, som 2010 Eyjafjallajökull och andra isländsk vulkan utbrott, små 2008-09 Halema’uma ’ u kratern utbrott, vulkanen Kilauea, Hawaii; 1995-96 Ruapehu utbrott, Nya Zeeland; och 2007 Oldoinyo Lengai utbrott, Tanzania., Fluor, tillsammans med sulfat, klorid, syra och vissa spårmetaller, kan bindas upp i relativt lösliga salter i VA eller sorberas löst på VA-partikelytor (Witham et al., 2005). I de flesta VA är dessa salter eller sorbed-arter en relativt liten del av den totala askan (jämfört med den stora volymen glas-och mineralpartiklar) och resultatet av interaktioner mellan askpartiklar och luft och de gasformiga komponenterna (inklusive sura gaser) i den vulkaniska plumen (Witham et al., 2005)., I fallet med de flesta VA från fluoridrika system är fluoriden relativt riklig och vattenlöslig-antingen fluoriden lakas i ytvattenförsörjning som konsumeras eller den bioaccessibla fluoriden solubiliseras från aska som konsumeras tillsammans med foder av betesdjur eller boskap. För askutbrott som dessa detekteras närvaron av vattenlöslig fluor lätt genom vattenläckningstester som USGS Field Leach Test (Hageman, 2007b)., När det gäller Ruapehu indikerar vattenläckningstester inte signifikanta mängder vattenlöslig fluor, men flera tusen får dog av fluoros efter utbrottet. Cronin et al. (2003) drog slutsatsen att den phreatomagmatiska karaktären hos några av Ruapehu-utbrotten ledde till bildandet av kalcium-och aluminiumfluorider/fosfatfaser i askan, som är sparsamt lösliga i vatten men mycket mer lösliga i matsmältningssystemet hos betesdjur. Morman och Plumlee (2010) och Caulkins et al., (2010) tillämpade gastric IVBAs för att undersöka om sådana tester bättre kan förutsäga potentiella fluorosrisker via ett oavsiktligt VA-intag.
USGS Field Leach testresultat på prover av aska som deponerades torr och inte därefter regnade på (Hageman, 2007b; Wang et al., 2010) föreslår att kortsiktiga spolningar av syra, anjoner och vissa metaller i regnvatten eller ytvatten bör förväntas från de flesta VA., Aska som har regnat på eller som är från phreatomagmatic utbrott som involverar betydande vatten producerar ett väsentligt högre pH-Lakat med höga halter av stora katjoner och lägre halter av spårmetaller (Wang et al., 2010) på grund av tidigare spolning av lösliga komponenter och större tid för kemiska reaktioner mellan lakatlösningarna och askpartiklarna. Dessa resultat tyder på att risken för utsläpp av syra och metaller från aska sannolikt kommer att minska avsevärt över tiden till följd av interaktioner med regn.,
i motsats till silikat – och glasdominerad aska från de flesta utbrott innehöll aska från en serie relativt små utbrott 2008-09 vid halema ’ uma ’ u summit crater, Kilauea volcano, Hawaii, en hög andel kalciumsulfater och komplexa faser innehållande järn, klorid, sulfat, aluminium, fosfat och andra element, som bildades som direkta utfällningar från magmatiska gaser på frakturytorna på väggstenar nära kraterns yta., Väggens kollaps i kraterhalsen hindrade gasflödet, vilket ledde till övertryck och eventuell explosiv frisättning av det fällningsrika materialet (Houghton et al., 2011). På grund av den höga andelen av dessa utfällningar i ejecta är vattenläckor från halema ’ uma ’ u-askproverna de mest sura och har de högsta koncentrationerna av löslig fluor och olika metallinnehåll, som vi har mätt med USGS Field Leach-testet.,
Den VA från Oldoinyo Lengai vulkanen i Tanzania är ganska exotiska på grund av den natrocarbonatitic, koldioxid-rik natur magmas (Mitchell och Dawson, 2007). Överflödet av ovanliga karbonatfaser producerar de högsta pH-lakaten av alla VA som vi har analyserat. Både vatten och gastriska Lakat har extremt höga koncentrationer av fluor och exotiska element (för VA Lakat), såsom molybden, arsenik och vanadin., Den fluoros som skulle vara förutsägbar baserat på dessa resultat har varit välkänd i flera år på grund av den fluorrika naturen hos vulkaniska bergarter i regionen. Resultaten ökar emellertid också risken för toxicitet från andra element som kan vara mindre kända. Lösliga molybdennivåer i tiotals ppm tyder till exempel på att molybdenos hos djur som betar i askdrabbade områden eller i områden med kompositionellt likartade vulkaniska bergarter kan vara ett rimligt problem.,
uppmärksamhet har endast nyligen fokuserat på de potentiella hälsoeffekterna av ROS-generering av metaller som frigörs från respired VA. Horwell et al. (2003) fann att aska från vulkanen Soufrière Hills har hög ytreaktivitet och genererar höga nivåer av ROS, vilket de tillskrivs frisättningen av järnjärn från askan. Mer nyligen, Horwell et al. (2007) fann att basaltisk aska genererar betydligt mer radikala arter i acellulära laboratorieförsök än mer kiselsyra, igen postulerad till följd av järnfrisättning., Järnsulfider, som har visat sig generera höga nivåer av ROS i laboratorieexperiment (Harrington och Schoonen, 2012), är närvarande upp till en eller två volymprocent i kiselsyra som vi har studerat från ett antal vulkaner. Det är oklart om dessa sulfider är närvarande i tillräckligt höga nivåer för att bidra väsentligt till ROS generation av, och därför toxicitet av, VA.
Vi har utfört IVBAs på aska från ett antal olika vulkaner och utbrott med hjälp av lungvätskesimulanter och serumbaserade vätskor som extraktionsvätskor., Resultaten tyder på att en mängd olika redoxvariabla element, såsom mangan, koppar, cerium och andra, kan vara ganska biotillgängliga från respirerade askpartiklar, i många askprover ännu mer än järn. Ytterligare arbete behövs för att förstå om dessa element också kan bidra till ROS-generering och potentiell toxicitet hos VA.