A community model for integrated studies of trans-crustal magmatic system

Vulkanen behoren tot de meest dramatische kenmerken van de aarde, maar de verborgen leidingen die hen voeden blijven een van de grote mysteries van de geologie. Decennialang debatteerden wetenschappers over de vraag of magma — het gesmolten gesteente dat erupties aanjaagt — zich in één enkele, gigantische kamer diep onder de grond bevindt, wachtend om te exploderen, of dat het verspreid ligt door de korst in een uitgestrekt, verticaal netwerk van kleinere zakken en kanalen. Dit tweede idee, bekend als een trans-crustaal magmatisch systeem, suggereert dat magma zich van de diepe mantel tot aan het oppervlak verplaatst en opslaat, waardoor een continue maar complexe snelweg van hitte en gesteente ontstaat. Het probleem is dat we niet in de aarde kunnen kijken. De instrumenten die wetenschappers gebruiken om onder het oppervlak te turen, zoals seismische golven die weerkaatsen op gesteentelagen of elektrische stromen die door de grond vloeien, tonen vaak alleen de bovenkant van het systeem. Ze hebben moeite om de diepe, verborgen verbindingen te onthullen. Zonder een duidelijk beeld van hoe deze systemen zijn opgebouwd, is het moeilijk te voorspellen wanneer een vulkaan wakker kan worden of hoe hij zich in de loop van de tijd gedraagt.

Om dit puzzelstuk op te lossen, besloot een team van onderzoekers van universiteiten uit de Verenigde Staten en China om een perfecte, denkbeeldige vulkaan te bouwen. In plaats van te proberen een echte, rommelige vulkaan in kaart te brengen waar de waarheid onbekend is, construeerden zij een gedetailleerd, driedimensionaal computermodel van een trans-crustaal magmatisch systeem op basis van de beste beschikbare theorieën. Ze vulden dit digitale model met specifieke temperaturen, chemische samenstellingen en hoeveelheden gesmolten gesteente, waardoor ze een "ground truth" creëerden waarvan ze precies wisten wat het was. Vervolgens voerden ze virtuele experimenten uit om te zien wat hun standaard wetenschappelijke instrumenten zouden zien als ze naar dit perfecte model zouden kijken. Ze simuleerden hoe seismische golven erdoorheen zouden reizen, hoe elektrische stromen erdoorheen zouden vloeien en welke chemische aanwijzingen het gesmolten gesteente in kristallen zou achterlaten. Door de resultaten van deze simulaties te vergelijken met de bekende structuur van hun model, konden ze de grenzen van onze huidige technologie testen.

De resultaten onthulden een harde realiteit: geen enkel instrument kan het hele plaatje zien. Wanneer het team virtuele seismische golven gebruikte, vergelijkbaar met de geluidsgolven die worden gebruikt bij medische echografie maar dan voor de aarde, werkten de gegevens goed voor de ondiepe delen van het systeem. De golven identificeerden de magmazakken nabij het oppervlak duidelijk, waarbij ze de locatie en grootte lieten zien. Echter, naarmate de golven dieper trokken, werd het signaal troebel. De complexe interacties van de golven met het diepe, hete gesteente creëerden een verwarrende bende van echo's en verstrooide signalen. De diepere, lagere secties van het magmatische systeem, die cruciaal zijn voor het begrijpen van hoe de vulkaan wordt gevoed, bleven grotendeels onzichtbaar voor deze methoden. De onderzoekers ontdekten dat de diepe structuren zo zwak waren in de gegevens dat ze gemakkelijk voor ruis konden worden aangezien of als ondiepe kenmerken konden worden geïnterpreteerd.

Het team richtte zich vervolgens op een andere methie, magnetotellurische beeldvorming, die meet hoe gemakkelijk elektriciteit door de grond stroomt. Gesmolten gesteente is een veel betere geleider van elektriciteit dan vast gesteente, dus deze techniek is uitstekend in het vinden van waar magma zich bevindt. In hun simulatie slaagde deze methode erin een brede, verticale kolom van geleidend materiaal te spotten die van de diepe korst omhoog reikte richting het oppervlak. Het bevestigde dat er een groot, verbonden systeem bestond. Echter, net als de seismische golven, kon deze methode de fijne details niet zien. Het toonde een gladde, wazige vlek van geleidbaarheid in plaats van de duidelijke, afzonderlijke magmazakken en de smalle kanalen die de verbindingen vormden die het model daadwerkelijk bevatte. De techniek was te grof om de ingewikkelde architectuur van het systeem te resolveren, waardoor alle afzonderlijke delen werden samengesmolten tot één grote, onduidelijke vorm.

Ten slotte bekeken de onderzoekers het probleem door de lens van de petrologie, de studie van gesteenten en mineralen. Wanneer magma afkoelt, vormen zich mineralen binnenin, en deze mineralen kunnen fungeren als kleine drukmeters die de diepte registreren waar ze zijn gevormd. Wetenschappers verzamelen gewoonlijk uitgestoten lava en analyseren deze mineralen om te raden waar de magma vandaan kwam. In hun simulatie genereerde het team duizenden virtuele mineraalmonsters uit hun model en probeerde vervolgens de vorm van het systeem te reconstrueren met alleen deze monsters, waarbij ze het proces van het verzamelen en analyseren van gesteenten in de echte wereld nabootsten. Ze ontdekten dat hoewel de mineralen wel registreerden dat er magma op verschillende dieptes bestond, de gegevens te versnipperd en onzeker waren om een nauwkeurige kaart te tekenen. Met het huidige niveau van meetfouten en het beperkte aantal monsters dat doorgaans beschikbaar is, was het gereconstrueerde beeld vaak foutief, waarbij magma werd getoond waar het niet was of het volledig miste. De specifieke geometrie van de diepe opslagzones ging simpelweg verloren in de ruis van de gegevens.

De studie concludeert dat het gebrek aan een duidelijk, continu beeld van een trans-crustaal magmatisch systeem in echte vulkanen niet betekent dat dergelijke systemen niet bestaan. In plaats daarvan betekent het dat onze huidige instrumenten lijken op het proberen te begrijpen van een complex gebouw door ernaar te kijken vanuit slechts één hoek of met slechts één type camera. Elke methode ziet een ander deel van de puzzel: seismische golven zien de ondiepe kamers, elektrische methoden zien de brede structuur, en gesteentemonsters geven aanwijzingen over de dieptes. Geen van beide kan het hele gebouw tegelijkertijd zien. De onderzoekers betogen dat om echt te begrijpen hoe vulkanen werken, wetenschappers moeten stoppen met het vertrouwen op een enkele techniek en moeten beginnen met het combineren van al deze verschillende observaties in één enkele, verenigde structuur. Alleen door de gedeeltelijke inzichten van seismologie, elektriciteit en gesteentechemie in elkaar te weven, kunnen we hopen een compleet en accuraat beeld te vormen van de verborgen, vurige motoren onder onze voeten te bouwen.