解開浮石之謎

May 31, 2017 科學家發現岩石如何漂浮

有些岩石一次可以在水面上漂浮數年，形成數英里長的碎片斑塊，在海洋表面漂流數千英里。現在，科學家已經發現了它們是如何做到這一點的，以及它們最終會沉沒的原因。

能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的科學家透過掃描被稱為浮石的輕質、玻璃狀和多孔火山岩樣本解開了這個謎團。這些 X 射線實驗是在伯克利實驗室的先進光源 (ALS) 中進行的，這是一種稱為同步加速器的 X 射線源。

這些岩石的長期浮力可以幫助科學家發現水下火山爆發，並了解漂浮的浮石如何作為營養豐富的航海介質，將物種傳播到世界各地。此外，這對船隻也是一種危險，因為磨碎的浮石的灰燼混合物會堵塞船舶引擎。

雖然科學家知道浮石孔隙中的氣體使浮石能夠漂浮，但他們不知道這些氣體如何長時間滯留在其中。當人們想到浮石的毛孔大部分是開放且連通的，就像一個未開塞的瓶子時，這個謎團就加深了。 有趣的是，實驗室中的一些浮石被發現在晚上下沉，在白天浮出水面。

為了進行調查，研究人員塗上了從北加州沙斯塔山附近的梅迪辛湖火山和危地馬拉的聖瑪麗亞火山採集的暴露在水中的浮石。 然後，他們使用一種稱為顯微斷層掃描的 X 射線成像技術來研究預熱的室溫浮石樣本中水和氣體的濃度，以微米（千分之一毫米）為單位進行測量。 由此產生的三維影像資料量非常大，以至於快速識別樣品孔隙中氣體和水的濃度是一個挑戰。

這個問題是由北京大學客座本科生研究員魏子涵解決的，他使用一種數據分析軟體工具，結合機器學習來自動識別圖像中氣體和水的成分。 研究人員發現，浮石中的氣體捕獲過程與表面張力有關，表面張力是水面與其上方空氣之間的化學相互作用，其作用就像一層薄薄的皮膚。

「控制這種漂浮的過程發生在人類頭髮的尺度上。許多毛孔非常非常小，就像細細的吸管纏繞在一起。所以表面張力確實占主導地位，」克里斯汀·福里亞（Kristen E Fauria）說領導這項研究的加州大學柏克萊分校研究生，發表在《地球與行星科學快報》。

團隊還發現，一種稱為滲流理論的數學公式解釋了液體如何進入多孔材料，解釋了浮石中的氣體捕獲過程。此外，氣體擴散（描述氣體分子如何尋找濃度較低的區域）解釋了這些氣體的最終損失以及石頭下沉的原因。

柏克萊實驗室能源地球科學部的科學家、加州大學柏克萊分校地球與行星科學系的教授 Michael Manga 說：「有兩種不同的過程：一種讓浮石漂浮，另一種讓浮石漂浮。讓它下沉。”

X 射線研究首次幫助量化了這些過程。研究表明，在某些情況下，先前對浮選時間的估計存在幾個數量級的偏差。 水包圍並捕獲浮石中的氣體，形成氣泡，使石頭浮起來。表面張力使氣泡長時間鎖在內部。實驗室實驗中觀察到的擺動是由於白天炎熱時滯留氣體的膨脹和夜間氣溫下降時收縮所造成的。

ALS 的X 射線工作，以及Manga 加州大學柏克萊分校實驗室對漂浮在水中的小塊浮石的研究，幫助研究人員開發了一個公式，可以根據浮石的浮力來預測浮石通常會漂浮多長時間。尺寸。

這項研究引發了更多問題，例如從水下火山深處噴出的浮石如何到達地表。研究人員還在 ALS 進行了 X 射線實驗，以研究長度超過一公尺的所謂「巨型」浮石樣本。 這塊石頭是在 Fauria 和 Manga 參加的 2015 年探險期間從新西蘭以北數百英里處的一座活水下火山區域的海底取回的。

水下火山爆發不像陸地上的火山爆發那麼容易追蹤。水下火山爆發的浮石大小差異很大，但通常約為蘋果大小，而陸地火山爆發的浮石往往比高爾夫球小。

「我們正在努力了解這塊巨大的浮石是如何形成的，」曼加說。 “我們不太了解海底噴發是如何發生的。這座火山的噴發與我們假設的完全不同。我們希望能夠利用這個例子來理解這一過程。”

Fauria 同意從水下火山研究中可以學到很多東西，並補充說 ALS 的 X 射線研究將在她的團隊的工作中發揮持續的作用。

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