Experimental Investigation of Dike Propagation Influenced by Graben Topography and Magma Viscosity Using Analog Modeling
Questo studio utilizza la modellazione analogica per dimostrare che la propagazione dei dicchi e la localizzazione dei venti vulcanici in contesti di graben sono controllate dall'interazione tra viscosità del magma, campi di stress topografico e stratificazione meccanica della crosta, i quali determinano collettivamente se le intrusioni si arrestano, transitano tra diverse geometrie o raggiungono la superficie.
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I vulcani non sono esplosioni casuali; sono l'espressione superficiale di una lotta profonda e pressurizzata tra la roccia fusa e il terreno solido sovrastante. Per capire dove un vulcano potrebbe eruttare successivamente, gli scienziati devono tracciare il percorso di un dike, che è semplicemente una frattura riempita di magma che si fa strada verso l'alto da un serbatoio profondo. Il percorso che un dike compie non è una linea retta. È dettato dalle forze che premono sulla roccia circostante, nello specifico dal campo di stress, che cambia a seconda della forma del terreno e degli strati di roccia che il magma incontra. Se il terreno sovrastante è pesante, il magma spinge dritto verso l'alto. Ma se il terreno presenta un avvallamento, come una valle o un rift, il peso della roccia si riduce in quell'area, creando una zona di "scarico" che può attirare il magma lateralmente. Inoltre, il magma stesso non è una sostanza uniforme; varia da una lava fluida e veloce a un fango denso e pigro. Questa differenza di spessore, o viscosità, cambia il modo in cui il magma reagisce allo stress della roccia circostante. Predire esattamente dove un vulcano aprirà la bocca è una sfida critica per la sicurezza, eppure la complessa interazione tra la forma del terreno, gli strati della crosta e la natura del magma è rimasta difficile da definire con precisione.
Per sbrogliare queste variabili, i ricercatori Khaled Rahimi, Marcus Bursik e Janine L. Kavanagh si sono rivolti a un laboratorio che imita la crosta terrestre utilizzando un materiale semplice e trasparente: la gelatina. Hanno scelto l'Hat Creek Graben nel nord-est della California, una valle lunga e profonda formata dall'allontanamento della Terra, dove in passato sono avvenute diverse eruzioni di lava. Nel loro laboratorio, hanno costruito una vasca trasparente riempita di strati di gelatina per rappresentare la crosta superiore della Terra. Hanno scavato una depressione lunga e stretta nella parte superiore della gelatina per simulare il graben. Poi, hanno iniettato fluidi dal fondo della vasca per agire come magma ascendente. Hanno utilizzato due fluidi distinti: acqua per rappresentare il magma basaltico fluido e una soluzione densa e gelatinosa fatta di gomma xantana per rappresentare il magma basaltico-andesitico molto più viscoso. Osservando come questi fluidi si muovevano attraverso la gelatina, il team ha potuto vedere esattamente come la forma della valle e lo spessore del magma alterassero il percorso verso la superficie.
Gli esperimenti hanno rivelato una differenza sorprendente nel comportamento basata su quanto fosse spesso il fluido. Quando i ricercatori hanno iniettato il fluido sottile e acquoso, questo è emerso verso l'alto con velocità e determinazione. È salito quasi dritto attraverso la gelatina, ignorando quasi i cambiamenti di stress causati dalla valle sovrastante. Quando ha raggiunto la superficie, è eruttato direttamente all'interno della depressione, rimanendo entro una breve distanza dal centro. L'acqua si muoveva troppo velocemente e con troppa quantità di moto per essere facilmente influenzata dalle forze mutevoli della roccia circostante. Al contrario, il fluido denso di gomma xantana si è comportato in modo molto diverso. Mentre saliva, rallentava, dando alla gelatina circostante il tempo di influenzare il suo percorso. Inveve di andare dritto verso l'alto, il fluido denso ha iniziato a curvare e deviare a una profondità significativa, piegandosi verso le pareti ripide della valle. Alla fine è emerso attraverso la parete laterale della valle anziché dal centro, eruttando attraverso lo scarpata di faglia. La viscosità del fluido ha essenzialmente determinato se il magma avrebbe ignorato la forma della valle o se ne sarebbe lasciato attrarre.
I ricercatori hanno anche esplorato cosa accade quando la crosta non è un unico blocco di roccia, ma è composta da diversi strati con diverse resistenze. In alcuni esperimenti, hanno creato un confine debole tra uno strato inferiore e uno superiore di gelatina. Quando il magma ha colpito questo punto debole, ha smesso di tentare di salire e ha iniziato invece a diffondersi lateralmente, formando un'intrusione piatta e simile a un pancake, nota come sill. Se l'iniezione continuava, questo foglio piatto si sarebbe ispessito e incurvato verso l'alto, creando una struttura a forma di fungo chiamata laccolite. Interessante è stato il fatto che la presenza della valle sovrastante ha influenzato questo processo; il campo di stress creato dalla valle ha incoraggiato il sill a crescere in una laccolite direttamente sotto la depressione, facendo sollevare il pavimento della valle. Tuttavia, quando il confine tra gli strati era forte, il magma era in grado di perforare l'interfaccia e continuare il suo viaggio verso la superficie, indipendentemente dalla stratificazione.
Infine, il team ha indagato cosa accade quando due flussi di magma salgono contemporaneamente, uno scenario comune nei campi vulcanici dove si aprono simultaneamente diverse crepe. Hanno scoperto che le due colonne ascendenti non si ignoravano l'un l'altra. Mentre spingevano verso l'alto, creavano le proprie zone di pressione che interferivano tra loro. In un caso specifico, la presenza di un foglio di fluido in espansione proveniente da un'iniezione ha fatto sì che la seconda iniezione, vicina, deviasse, spinta verso l'esterno dallo stress del suo vicino. Questa interazione ha dimostrato che il percorso di un singolo dike non dipende solo dalla roccia sovrastante, ma anche dalla presenza di altre intrusioni nelle vicinanze. Lo studio suggerisce che prevedere dove un vulcano erutterà richiede una comprensione precisa di tre cose: la forma del terreno, gli strati meccanici della crosta e lo spessore del magma. Senza conoscere tutti e tre, prevedere l'esatta posizione di un condotto rimane un puzzle difficile, ma questi esperimenti forniscono una mappa chiara di come queste forze competano e cooperino nel profondo del sottosuolo.
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