晶体聚集体记录了夏威夷基拉韦厄火山管道中喷发前的流场

坐落在夏威夷大岛上的基拉韦厄火山威胁着数百所房屋和数百万美元的财产。为了检测潜在的动荡和喷发活动，夏威夷火山天文台通过大量的野外站点不断监测基拉韦厄火山，记录地震，大地测量，声学和磁通量数据。由此产生的丰富数据集为改善火山动力学理论模型提供了独特的机会，但如何根据在地面记录的观测结果来测试在深度处发生的物理过程的模型，这一点并不明显。结果，我们仍然缺乏可靠的定量模型来描述火山管道中的流动状态，这限制了我们预测火山爆发活动并减轻其带来的风险的能力。

地球物理观测对在火山大厦和周围地壳尺度上运行的物理过程提供了限制。实例包括随时间的火山机构的变形测量和它的地下结构。虽然对于理解大规模动力学而言是无价的，但地球物理观测不太适合识别导管内部的流动状态。相反，在喷出时被岩浆淬灭的晶体至少在火山管道中直接记录了喷发前状况的至少某些方面。当前，最常用的是晶体规模数据来估算上升速度，然后将其用作模型的输入。但是，我们很少尝试针对晶体规模的数据测试不同现有管道模型的基础物理假设。其主要原因是，大多数导管模型在米或公里规模，因此在做单个晶体的比例不会导致可测试的模型预测。结果，我们可能无法充分利用潜在信息宝库，这些信息宝藏在火山管道中各个晶体上。

我们假设基拉韦厄岛Iki聚集体中较大的取向差角是由于橄榄石晶体暴露于导管中的稳定波场而产生的。我们的假说是通过波状流到对齐颗粒从晶体在剪切流的行为是不同的。管道模型的两种最常见的类，并主张单向对于最近的综述和引用的完整列表]和双向流，只有双向机型自然意味着一个稳定的。波起源于在导管中心上升的浮力的，富含气体的岩浆与在侧面下降的更密的，脱气的岩浆之间的界面。这反映了界面的线性不稳定性。不稳定的生长是由上升和下降岩浆之间的有限粘度对比度抑制，导致具有稳定的界面波。

为了检验我们的假设，我们对由稳定的行进界面波（双向流）施加的纯剪切（单向）流，纯波流和剪切流中的晶体排列和聚集进行量化。火山管道中不可能出现纯波场，但出于比较目的，我们将其包括在此处。我们首先基于DiBenedetto等人得出一个解析标准，以确定在波浪和剪切流共同作用下晶体排列的条件。第二，我们基于Qin等人的方法进行直接数值模拟。来量化多个相互影响并最终碰撞的晶体相对于彼此的相对取向。在整篇文章中，我们使用“对准”一词来描述单晶与环境流场中主流方向之间的角度关系。相反，我们使用“取向”一词来描述两个或多个晶体之间相对于彼此的角度关系。

我们的分析模型和数值模型一起证明，从1959年的Klauéa-Iki矿渣样品中观察到的，具有大的失取向角的小晶体聚集体自然形成于双向，但不是在更常用的单向导管流框架中形成。除了区分这两个管道模型与晶体尺度观测值的兼容程度外，我们的模型还使我们能够得出关于聚集体形成时管道流场的若干定量推论，包括波和剪切的相对大小-强迫，波的方向，导管中结晶度的空间分布以及样本中导管在导管中可能产生的位置。