Experimental Investigation of Dike Propagation Influenced by Graben Topography and Magma Viscosity Using Analog Modeling
Este estudio utiliza el modelado analógico para demostrar que la propagación de diques y la ubicación de los respiraderos volcánicos en entornos de graben están controladas por la interacción entre la viscosidad del magma, los campos de estrés topográfico y la estratificación mecánica de la corteza, los cuales determinan colectivamente si las intrusiones se detienen, transicionan entre geometrías o alcanzan la superficie.
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Los volcanes no son explosiones aleatorias; son la expresión superficial de una lucha profunda y presurizada entre la roca fundida y el suelo sólido que la cubre. Para entender dónde podría erupcionar un volcán después, los científicos deben rastrear el camino de un dique, que es simplemente una grieta llena de magma que se abre paso hacia arriba desde un reservorio profundo. El camino que toma un dique no es una línea recta. Está dictado por las fuerzas que presionan la roca a su alrededor, específicamente el campo de esfuerzos, el cual cambia dependiendo de la forma del terreno y de las capas de roca que el magma encuentra. Si el suelo arriba es pesado, el magma empuja directamente hacia arriba. Pero si el suelo tiene un punto bajo, como un valle o una falla, el peso de la roca se reduce en esa área, creando una zona de "descarga" que puede atraer al magma lateralmente. Además, el magma en sí mismo no es una sustancia uniforme; varía desde lava fluida y de movimiento rápido hasta un lodo espeso y lento. Esta diferencia en el espesor, o viscosidad, cambia cómo el magma reacciona al esfuerzo de la roca circundante. Predecir exactamente dónde abrirá la boca un volcán es un desafío crítico para la seguridad, pero la compleja interacción entre la forma del terreno, las capas de la corteza y la naturaleza del magma ha sido difícil de precisar.
Para desenredar estas variables, los investigadores Khaled Rahimi, Marcus Bursik y Janine L. Kavanagh recurrieron a un laboratorio que imita la corteza terrestre utilizando un material simple y transparente: gelatina. Eligieron el Hat Creek Graben en el noreste de California como su guía del mundo real, un valle largo y profundo formado por la separación de la Tierra, donde han erupcionado diferentes tipos de lava en el pasado. En su laboratorio, construyeron un tanque transparente lleno de capas de gelatina para representar la corteza superior de la Tierra. Tallaron una depresión larga y estrecha en la parte superior de la gelatina para simular el graben. Luego, inyectaron fluidos desde la parte inferior del tanque para que actuaran como magma ascendente. Utilizaron dos fluidos distintos: agua para representar el magma basáltico fluido y una solución espesa y gelatinosa hecha de goma xantana para representar el magma de andesita basáltica, mucho más viscoso. Al observar cómo estos fluidos se movían a través de la gelatina, el equipo pudo ver exactamente cómo la forma del valle y el espesor del magma alteraban el camino hacia la superficie.
Los experimentos revelaron una diferencia sorprendente en el comportamiento basada en qué tan espeso era el fluido. Cuando los investigadores inyectaron el fluido delgado y acuoso, este surgió hacia arriba con velocidad y determinación. Ascendió casi directamente a través de la gelatina, ignorando casi por completo los cambios de esfuerzo causados por el valle superior. Al alcanzar la superficie, erupcionó directamente dentro de la depresión, manteniéndose dentro de una distancia corta del centro. El agua se movía demasiado rápido y con demasiado impulso para ser fácilmente desviada por las fuerzas cambiantes de la roca circundante. En contraste, el fluido espeso de goma xantana se comportó de manera muy diferente. A medida que ascendía, se ralentizaba, dando tiempo a la gelatina circundante para influir en su trayectoria. En lugar de subir recto, el fluido espeso comenzó a doblarse y desviarse a una profundidad significativa, curvándose hacia las paredes empinadas del valle. Finalmente, rompió a través de la pared lateral del valle en lugar del centro, erupcionando a través del escarpe de falla. La viscosidad del fluido determinó esencialmente si el magma ignoraba la forma del valle o seguía su atracción.
Los investigadores también exploraron qué sucede cuando la corteza no es un solo bloque de roca, sino que está compuesta por diferentes capas con distintas resistencias. En algunos experimentos, crearon un límite débil entre una capa inferior y una capa superior de gelatina. Cuando el magma golpeaba este punto débil, dejaba de intentar subir y, en su lugar, se extendía lateralmente, formando una intrusión plana similar a un panqueque conocida como veta o sill. Si la inyección continuaba, esta lámina plana se engrosaba y se abultaba hacia arriba, creando una estructura en forma de hongo llamada lacolito. Curiosamente, la presencia del valle arriba influyó en este proceso; el campo de esfuerzos creado por el valle fomentó que la veta creciera en un lacolito directamente debajo de la depresión, haciendo que el suelo del valle se levantara. Sin embargo, cuando el límite entre las capas era fuerte, el magma era capaz de perforar la interfaz y continuar su viaje hacia la superficie, independientemente de la estratificación.
Finalmente, el equipo investigó qué sucede cuando dos corrientes de magma ascienden al mismo tiempo, un escenario común en los campos volcánicos donde múltiples grietas se abren simultáneamente. Descubrieron que las dos columnas ascendentes no se ignoraban entre sí. A medida que empujaban hacia arriba, creaban sus propias zonas de presión que interferían entre sí. En un caso específico, la presencia de una lámina de fluido en expansión de una inyección hizo que la segunda inyección cercana se desviara, empujada hacia afuera por el estrés de su vecina. Esta interacción demostó que el camino de un solo dique no se trata solo de la roca que tiene encima, sino también de la presencia de otras intrusiones cercanas. El estudio sugiere que pronosticar dónde erupcionará un volcán requiere una comprensión precisa de tres cosas: la forma del terreno, las capas mecánicas de la corteza y el espesor del magma. Sin conocer las tres, predecir la ubicación exacta de un ventila sigue siendo un rompecabezas difícil, pero estos experimentos proporcionan un mapa claro de cómo estas fuerzas compiten y cooperan en las profundidades de la tierra.
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