11.7.5.3 Vulkanasche
VA explosiv von einem Vulkan ausgebrochen ist in der Regel aus einer Mischung von Bimsstein/Glasscherben zusammengesetzt (im Wesentlichen Magma gelöscht), Fragmente älterer Gesteine aus dem Vulkan, und variable Anteile von Kristallen oder Kristallfragmente verschiedener Silikate und andere weniger häufig vorkommende Mineralarten. Abbildung 1 (a) zeigt die staubigen Bedingungen in Homer, Alaska, die durch den Aschefall aus dem Ausbruch des Berges vom 4.April 2009 verursacht wurden. Redoubt ist etwa 105 km entfernt.,
Akute gesundheitliche Auswirkungen auf die Atemwege durch Exposition gegenüber VA wurden festgestellt, wie Asthma, Atemwegsreizungen und mögliche damit verbundene kardiopulmonale Probleme. Diese resultieren zum Teil aus der Exposition gegenüber hohen Konzentrationen von luftgetragenen oder resuspendierten Aschepartikeln, die tief in die Bronchiolar-oder Alveolarabschnitte der Atemwege eingeatmet werden können (< 2,5 bis 10 µm)., Wenn sich die Aschewolke von einem einzelnen Ausbruch in den Wind bewegt, neigen die gröberen und schwereren Partikel dazu, sich abzusetzen, und so nimmt der Anteil der Aschepartikel in den kleinsten Größenbereichen typischerweise im Vergleich zu denen in gröberen Größenbereichen erheblich zu, nimmt jedoch ab in der Gesamtmasse (Abbildung 2). Die Verteilung der Aschepartikel kann auch in Abhängigkeit von Eruptionstyp und-dynamik variieren, selbst bei verschiedenen Eruptionen desselben Vulkans., Wie von Horwell und Baxter (2006) festgestellt, haben Aschepartikel eine starke Tendenz zu klumpen, so dass es wahrscheinlich ist, dass der Anteil der Aschepartikel, die tatsächlich geatmet werden, viel kleiner sein kann als die Mengen, die durch Laseranalyse einer wässrigen Aschesuspension gefunden werden. Niederschläge können die Partikelgrößenverteilung von abgesetzten Ascheablagerungen verändern, wodurch möglicherweise selektiv die feinere Fraktion durch Abfluss entfernt wird (Abbildung 2).
Abbildung 2., Dieses Diagramm zeigt die Partikelgrößenverteilung (wie mit Laser Malvern Mastersizer bestimmt) von Ascheablagerungen aus dem 18 Mai 1980 Mt. St. Helens Eruption, Washington State, Vereinigte Staaten, sammelte sich in immer größerer Entfernung vom Vulkan abwärts. Ungefähre obere Größengrenzen von physiologischer Bedeutung sind ebenfalls auf dem Diagramm dargestellt.
Die Morphologie der Aschepartikel kann auch bei der Reizung der Atemwege eine Rolle spielen., Zum Beispiel können scharfe Kanten an Glasscherben und gebrochenen Kristallen (Abbildung 3) einen Abrieb der Gewebe verursachen, die die Atemwege und die Augen auskleiden.
Abbildung 3. Moderne Bildanalysesoftware für die Rasterelektronenmikroskopie (REM) bietet die Möglichkeit, die Mengen bestimmter Mineralien in einer DM-Probe relativ schnell zu beurteilen. Dieses SEM-Bild ist eine Elementkarte der Asche aus dem Ausbruch des Vulkans Mount Merapi 2010 in Indonesien., Die Kreise markieren Phasen, in denen Kieselsäure der einzige Bestandteil (Magenta) ist, und zeigen, dass viele der Nur-Kieselsäure-Körner einen Durchmesser von mehr als 15-25 µm haben und an anderen Mineralkörnern befestigt sind. Die Bildgebungssoftware ermöglicht die Berechnung des Flächenanteils der Nur-Kieselsäure-Phasen in der Probe, in diesem Fall etwa 2% der Körner. Die Analyse wurde von Heather Lower, USGS, durchgeführt.,
Die potenzielle Toxizität von respiratorischem kristallinem Siliciumdioxid in VA ist seit einiger Zeit aus Sicht der Atemgesundheit besorgniserregend (Horwell und Baxter, 2006; Horwell et al., 2010)., Die Anzahl detaillierter epidemiologischer oder toxikologischer VA-spezifischer Studien ist begrenzt, und diejenigen, die bisher an VA-exponierten Populationen durchgeführt wurden, sind nicht unbedingt schlüssig in Bezug auf das Risiko für die Entwicklung von Silikose, unspezifischer Pneumokoniose oder anderen Lungenerkrankungen (wie Lungenkrebs oder chronisch obstruktive Lungenerkrankung), die häufiger mit einer Exposition am Arbeitsplatz gegenüber hohen Konzentrationen relativ reiner kristalliner Kieselsäure verbunden sind (Horwell und Baxter, 2006)., Cristobalit, eine Vielzahl von kristallinem Siliciumdioxid, kommt am häufigsten in Asche aus Eruptionen vor, die aus dem Zusammenbruch vulkanischer Kuppeln resultieren (Horwell und Baxter, 2006). Der Cristobalit bildet sich zunächst durch direkte Ablagerung von vulkanischen Gasen in den Kuppelbrüchen. Die Cristobalit-Identifizierung in VA über XRD erfordert eine spezielle Vorbehandlung der Asche aufgrund einer XRD-Peak-Überlappung mit Calcic Plagioclase (Horwell et al., 2010)., Relativ neue Methoden zur Elementkartierung und-analyse unter Verwendung von SEM können jedoch eine relativ schnelle Angabe des Anteils reiner Kieselsäurephasen sowie Schlüsselinformationen zu deren Vorkommen und Größenverteilung in abgesetzten Ascheproben liefern (Abbildung 3). Es ist wichtig anzumerken, dass die potenzielle Toxizität von kristallinem Siliciumdioxid abnimmt, wenn es durch andere Aluminosilikatmineralien verdünnt wird, und ein solcher Milderungseffekt könnte bei VA angesichts der Fülle anderer Silikatmineralien und Glas deutlich auftreten (Horwell und Baxter, 2006; Plumlee und Ziegler, 2007).,
Fluorose in livestock, wildlife, und seltener bei Menschen auch eine andere wichtige gesundheitliche Bedenken zu einigen geologisch günstigen Vulkane, wo der Magmen oder eruption Prozesse führen zu relativ Fluor-reiche Asche, wie die 2010 Eyjafjallajökull und andere Island-Vulkan-Eruptionen; kleine 2008-09 Halema’uma ‚ U Krater, Eruptionen, Vulkan Kilauea, Hawaii; 1995-96 Ruapehu Eruption, New Zealand; und 2007 Oldoinyo Lengai-Ausbruch in Tansania., Fluorid kann zusammen mit Sulfat, Chlorid, Säure und einigen Spurenmetallen in relativ löslichen Salzen in VA gebunden oder lose auf VA-Partikeloberflächen sorbiert werden (Witham et al., 2005). In den meisten Fällen sind diese Salze oder sorbierten Arten ein relativ kleiner Bestandteil der Gesamtasche (im Vergleich zu dem großen Volumen an Glas-und Mineralpartikeln) und resultieren aus Wechselwirkungen von Aschepartikeln mit Luft und den gasförmigen Komponenten (einschließlich saurer Gase) der vulkanischen Wolke (Witham et al., 2005)., Im Falle der meisten VA aus fluoridreichen Systemen ist das Fluorid relativ reichlich und wasserlöslich-entweder wird das Fluorid in Oberflächenwasservorräte ausgelaugt, die verbraucht werden, oder das bioakzessible Fluorid wird aus Asche gelöst, die zusammen mit Futter von weidenden Wildtieren oder Vieh verbraucht wird. Bei Ascheausbrüchen wie diesen wird das Vorhandensein von wasserlöslichem Fluorid leicht durch Wasserlaugtests wie den USGS Field Leach Test (Hageman, 2007b) nachgewiesen., Im Fall von Ruapehu zeigten Wasserlaugungstests keine signifikanten Mengen an wasserlöslichem Fluorid, aber mehrere tausend Schafe starben nach dem Ausbruch an Fluorose. Cronin et al. (2003) kam zu dem Schluss, dass die phreatomagmatische Natur einiger Ruapehu-Eruptionen zur Bildung von Calcium-und Aluminiumfluoriden/Phosphatphasen in der Asche führte, die in Wasser wenig löslich, aber im Verdauungssystem von Weidetieren viel löslicher sind. Morman-und Plumlee (2010) und Caulkins et al., (2010) angewandte Magen-IVBAs, um zu untersuchen, ob solche Tests potenzielle Fluorose-Gefahren durch eine zufällige VA-Einnahme besser vorhersagen können.
Die USGS Field Leach Testergebnisse an Proben von Asche, die trocken abgelagert und anschließend nicht geregnet wurde (Hageman, 2007b; Wang et al., 2010) legen nahe, dass von den meisten VA kurzfristige Spülungen von Säure, Anionen und einigen Metallen in Regenwasser oder Oberflächengewässer zu erwarten sind., Asche, die auf oder von phreatomagmatischen Eruptionen mit signifikantem Wasser geregnet wurde, erzeugt ein wesentlich höheres pH-Sickerwasser mit hohen Konzentrationen von Hauptkationen und niedrigeren Konzentrationen von Spurenmetallen (Wang et al., 2010) aufgrund der vorherigen Spülung löslicher Komponenten und der größeren Zeit für chemische Reaktionen zwischen den Sickerwasserlösungen und den Aschepartikeln. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Potenzial für die Freisetzung von Säure und Metallen aus Asche im Laufe der Zeit infolge von Wechselwirkungen mit Niederschlägen wahrscheinlich erheblich abnimmt.,
Im Gegensatz zur Silikat – und glasdominierten Asche der meisten Eruptionen enthielt die Asche aus einer Reihe relativ kleiner Eruptionen 2008-09 am Halema ‚ uma ‚ u-Gipfelkrater, Vulkan Kīlauea, Hawaii, einen hohen Anteil an Calciumsulfaten und komplexen Phasen, die Eisen, Chlorid, Sulfat, Aluminium, Phosphat und andere Elemente enthielten, die sich als direkte Niederschläge aus magmatischen Gasen auf den Bruchflächen von Wandgesteinen in der Nähe der Oberfläche des Kraters bildeten., Der Zusammenbruch der Wandgesteine in den Kraterhals behinderte den Gasfluss, was zu einem Überdruck und einer eventuellen explosiven Freisetzung des niederschlagsreichen Materials führte (Houghton et al., 2011). Aufgrund des hohen Anteils dieser Niederschläge in den Ejecta sind Wasserlaugen aus den Halema ‚ uma ‚ u-Ascheproben am saursten und weisen die höchsten Konzentrationen an löslichem Fluorid und verschiedene Metallgehalte auf, die wir mit dem USGS-Feldlaugungstest gemessen haben.,
Der Vulkan VA vom Vulkan Oldoinyo Lengai in Tansania ist aufgrund der natrocarbonatitischen, kohlendioxidreichen Natur der Magmen ziemlich exotisch (Mitchell und Dawson, 2007). Die Fülle an ungewöhnlichen Karbonatphasen erzeugt die höchsten pH-Auslaugungen aller VA, die wir analysiert haben. Sowohl Wasser-als auch Magen-Sickerwasser haben extrem hohe Konzentrationen an Fluorid und exotischen Elementen (z. B. Sickerwasser) wie Molybdän, Arsen und Vanadium., Die Fluorose, die aufgrund dieser Ergebnisse vorhersehbar wäre, ist aufgrund der fluorreichen Natur der vulkanischen Gesteine in der Region seit Jahren bekannt. Die Ergebnisse erhöhen jedoch auch die Möglichkeit einer Toxizität durch andere Elemente, die möglicherweise weniger bekannt sind. Zum Beispiel deuten lösliche Molybdänwerte in den Zehn ppm darauf hin, dass Molybdän bei Tieren, die in von Asche betroffenen Gebieten oder in Gebieten mit kompositionell ähnlichen vulkanischen Gesteinen grasen, ein plausibles Problem darstellen kann.,
Die Aufmerksamkeit hat sich erst vor relativ kurzer Zeit auf die möglichen gesundheitlichen Auswirkungen der ROS-Erzeugung durch Metalle konzentriert, die aus respirierten VA freigesetzt werden. Horwell et al. (2003) festgestellt, dass Asche aus dem Vulkan Soufrière Hills eine hohe Oberflächenreaktivität aufweist und einen hohen ROS-Gehalt erzeugt, was auf die Freisetzung von Eisen aus der Asche zurückzuführen ist. In jüngerer Zeit Horwell et al. (2007) fanden heraus, dass basaltische Asche in akellulären Laborexperimenten wesentlich radikalere Spezies erzeugt als mehr Kieselsäure, die wiederum postuliert wurde, um aus der Eisenfreisetzung zu resultieren., Eisensulfide, von denen gezeigt wurde, dass sie in Laborexperimenten einen hohen ROS-Gehalt erzeugen (Harrington und Schoonen, 2012), sind bis zu einem oder zwei Volumenprozent in Kieselsäure enthalten, die wir aus einer Reihe von Vulkanen untersucht haben. Es ist unklar, ob diese Sulfide in ausreichend hohen Konzentrationen vorhanden sind, um wesentlich zur ROS-Erzeugung durch und damit zur Toxizität von VA beizutragen.
Wir haben IVBAs an Asche aus verschiedenen Vulkanen und Eruptionen mit Lungenflüssigkeitssimulanzien und serumbasierten Flüssigkeiten als Extraktionsflüssigkeiten durchgeführt., Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Vielzahl von redox-variable Elemente, wie Mangan, Kupfer, CER, und andere, eher bioaccessible von respired aschepartikel in vielen ash Proben sogar noch mehr als Eisen. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um zu verstehen, ob diese Elemente auch zur ROS-Erzeugung und potenziellen Toxizität von VA beitragen können.