解开浮石之谜

May 31, 2017 科学家发现岩石如何漂浮

一些岩石一次可以在水面上漂浮数年，形成数英里长的碎片斑块，在海洋表面漂流数千英里。现在，科学家们已经发现了它们是如何做到这一点的，以及它们最终沉没的原因。

能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的科学家通过扫描被称为浮石的轻质、玻璃状和多孔火山岩样本解开了这个谜团。这些 X 射线实验是在伯克利实验室的先进光源 (ALS) 中进行的，这是一种称为同步加速器的 X 射线源。

这些岩石的长期浮力可以帮助科学家发现水下火山喷发，并了解漂浮的浮石如何作为营养丰富的航海介质，将物种传播到世界各地。此外，这对船只也是一种危险，因为磨碎的浮石的灰烬混合物会堵塞船舶发动机。

虽然科学家们知道浮石孔隙中的气体使浮石能够漂浮，但他们不知道这些气体如何长时间滞留在其中。当人们想到浮石的毛孔大部分是开放且连通的，就像一个未开塞的瓶子时，这个谜团就加深了。 有趣的是，实验室中的一些浮石被发现在晚上下沉，在白天浮出水面。

为了进行调查，研究人员涂上了从北加州沙斯塔山附近的梅迪辛湖火山和危地马拉的圣玛丽亚火山采集的暴露在水中的浮石。 然后，他们使用一种称为显微断层扫描的 X 射线成像技术来研究预热的室温浮石样品中水和气体的浓度，以微米（千分之一毫米）为单位进行测量。 由此产生的三维图像数据量非常大，以至于快速识别样品孔隙中气体和水的浓度是一个挑战。

这个问题是由北京大学客座本科生研究员魏子涵解决的，他使用一种数据分析软件工具，结合机器学习来自动识别图像中气体和水的成分。 研究人员发现，浮石中的气体捕获过程与表面张力有关，表面张力是水面与其上方空气之间的化学相互作用，其作用就像一层薄薄的皮肤。

“控制这种漂浮的过程发生在人类头发的尺度上。许多毛孔非常非常小，就像细细的吸管缠绕在一起。所以表面张力确实占主导地位，”克里斯汀·E·福里亚（Kristen E Fauria）说领导这项研究的加州大学伯克利分校研究生，发表在《地球与行星科学快报》上。

该团队还发现，一种称为渗流理论的数学公式解释了液体如何进入多孔材料，解释了浮石中的气体捕获过程。此外，气体扩散（描述气体分子如何寻找浓度较低的区域）解释了这些气体的最终损失以及石头下沉的原因。

伯克利实验室能源地球科学部的科学家、加州大学伯克利分校地球与行星科学系的教授迈克尔·曼加 (Michael Manga) 说：“有两种不同的过程：一种让浮石漂浮，另一种让浮石漂浮。让它下沉。”

X 射线研究首次帮助量化了这些过程。研究表明，在某些情况下，之前对浮选时间的估计存在几个数量级的偏差。 水包围并捕获浮石中的气体，形成气泡，使石头浮起来。表面张力使气泡长时间锁在内部。实验室实验中观察到的摆动是由于白天炎热时滞留气体的膨胀和夜间气温下降时收缩造成的。

ALS 的 X 射线工作，以及 Manga 加州大学伯克利分校实验室对漂浮在水中的小块浮石的研究，帮助研究人员开发了一个公式，可以根据浮石的浮力来预测浮石通常会漂浮多长时间。尺寸。

这项研究引发了更多问题，例如从水下火山深处喷出的浮石如何到达地表。研究人员还在 ALS 进行了 X 射线实验，以研究长度超过一米的所谓“巨型”浮石样本。 这块石头是在 Fauria 和 Manga 参加的 2015 年探险期间从新西兰以北数百英里处的一座活水下火山区域的海底取回的。

水下火山喷发不像陆地上的火山喷发那么容易追踪。水下火山喷发产生的浮石大小差异很大，但通常约为苹果大小，而陆地火山喷发的浮石往往比高尔夫球小。

“我们正在努力了解这块巨大的浮石是如何形成的，”曼加说。 “我们不太了解海底喷发是如何发生的。这座火山的喷发与我们假设的完全不同。我们希望能够利用这个例子来理解这一过程。”

Fauria 同意从水下火山研究中可以学到很多东西，并补充说 ALS 的 X 射线研究将在她的团队的工作中发挥持续的作用。

视频