Experimental Investigation of Dike Propagation Influenced by Graben Topography and Magma Viscosity Using Analog Modeling
Deze studie maakt gebruik van analoge modellering om aan te tonen dat de propagatie van dijken en de locaties van vulkanische openingen in graben-settings worden gecontroleerd door het samenspel tussen magma-viscositeit, topografische spanningsvelden en de mechanische gelaagdheid van de korst, die gezamenlijk bepalen of intrusies stoppen, tussen geometrieën overgaan of het oppervlak bereiken.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Vulkanen zijn geen willekeurige explosies; ze zijn de oppervlakte-expressie van een diepe, gepressuriseerde strijd tussen gesmolten gesteente en de vaste grond daarboven. Om te begrijpen waar een vulkaan als volgende zal uitbarsten, moeten wetenschappers het pad van een dike volgen, wat simpelweg een barst is die gevuld is met magma die zich vanuit een diep reservoir naar boven duwt. Het pad dat een dike aflegt, is geen rechte lijn. Het wordt bepaald door de krachten die het omringende gesteente onder druk zetten, specif specifiek het spanningsveld, dat verandert afhankelijk van de vorm van het land en de lagen gesteente die de magma tegenkomt. Als de grond boven de magma zwaar is, duwt de magma recht omhoog. Maar als de grond een laag punt heeft, zoals een vallei of een rift, wordt het gewicht van het gesteente in dat gebied verminderd, wat een zone van "ontlasting" creëert die de magma zijwaarts kan trekken. Bovendien is de magma zelf geen uniforme substantie; het varieert van dun, snel bewegend lava tot dikke, traag bewegende prut. Dit verschil in dikte, of viscositeit, verandert de manier waarop de magma reageert op de spanning van het omringende gesteente. Het precies voorspellen waar een vulkaan zijn mond zal openen is een cruciale uitdaging voor de veiligheid, maar het complexe samenspel tussen de vorm van het land, de lagen van de korst en de aard van de magma is moeilijk vast te leggen gebleven.
Om deze variabelen te ontrafelen, wenden onderzoekers Khaled Rahimi, Marcus Bursik en Janine L. Kavanagh zich tot een laboratorium dat de aardkorst nabootst met behulp van een eenvoudig, transparant materiaal: gelatine. Ze kozen de Hat Creek Graben in noordoostelijk Californië als hun echte wereldwijde gids, een lange, diepe vallei gevormd door het uiteenvallen van de aarde, waar in het verleden verschillende soorten lava zijn uitgebroken. In hun laboratorium bouwden ze een heldere tank gevuld met lagen gelatine om de bovenste aardkorst te representeren. Ze sneden een lange, smalle depressie in de bovenkant van de gelatine om de graben te simuleren. Vervolgens injecteerden ze vloeistoffen vanuit de onderkant van de tank om opstijgende magma te simuleren. Ze gebruikten twee verschillende vloeistoffen: water om dun, basaltisch magma te representeren, en een dikke, gelachtige oplossing gemaakt van xanthaangom om de veel plakkerigere basaltische andesiet-magma te representeren. Door te observeren hoe deze vloeistoffen door de gelatine bewogen, kon het team precies zien hoe de vorm van de vallei en de dikte van de magma het pad naar het oppervlak veranderden.
De experimenten toonden een opvallend verschil in gedrag op basis van hoe dik de vloeistof was. Wanneer de onderzoekers de dunne, waterige vloeistof injecteerden, schoot deze met snelheid en vastberadenheid omhoog. Het steeg bijna recht door de gelatine, waarbij het de spanningsveranderingen veroorzaakt door de vallei erboven nauwelijks merkte. Wanneer het de oppervlakte bereikte, barstte het direct binnen de depressie uit, waarbij het op een korte afstand van het centrum bleef. Het water bewoog te snel en met te veel momentum om gemakkelijk te worden beïnvloed door de veranderende krachten van het omringende gesteente. In contrast hiermee gedroeg de dikke, xanthaangom-vloeistof zich heel anders. Terwijl het opsteeg, vertraagde het, waardoor de omringende gelatine tijd kreeg om het pad te beïnvloeden. In plaats van recht omhoog te gaan, begon de dikke vloeistof op een aanzienlijke diepte te buigen en af te wijken, waarbij het naar de steile wanden van de vallei kromde. Het brak uiteindelijk door de zijwand van de vallei in plaats van door het midden, en barstte uit via de breukhelling. De viscositeit van de vloeistof bepaalde in essentie of de magma de vorm van de vallei negeerde of de aantrekkingskracht ervan volgde.
De onderzoekers verkenden ook wat er gebeurt als de korst niet uit één enkel blok gesteente bestaat, maar is opgebouwd uit verschillende lagen met verschillende sterktes. In sommige experimenten creëerden ze een zwakke grens tussen een onderste laag en een bovenste laag gelatine. Wanneer de magma dit zwakke punt raakte, stopte het met proberen om omhoog te gaan en verspreidde het zich in plaats daarvan zijwaarts, waardoor een platte, pannenkoekachtige intrusie ontstond, bekend als een sill. Als de injectie werd voortgezet, zou deze platte plaat dikker worden en naar boven koepelen, waardoor een paddenstoelvormige structuur ontstond, een laccolith genoemd. Opvallend genoeg beïnvloedde de aanwezigheid van de vallei erboven dit proces; het spanningsveld gecreëerd door de vallei moedigde de sill aan om direct onder de depressie tot een laccolith te groeien, waardoor de bodem van de vallei omhoog kwam te liggen. Echter, wanneer de grens tussen de lagen sterk was, was de magma in staat om door de interface heen te breken en zijn reis naar het oppervlak voort te zetten, ongeacht de gelaagdheid.
Ten slotte onderzocht het team wat er gebeurt als twee stromen magma tegelijkertijd opstijgen, een scenario dat veel voorkomt in vulkanische velden waar meerdere scheuren gelijktig openen. Ze ontdekten dat de twee opstijgende kolommen elkaar niet negeerden. Terwijl ze omhoog drukten, creëerden ze hun eigen zones van druk die met elkaar interfereerden. In één specifiek geval zorgde de aanwezigheid van een breed uitspreidende plaat van vloeistof van één injectie ervoor dat de tweede, nabijgelegen injectie afweek, naar buiten geduwd door de spanning van de buurman. Deze interactie toonde aan dat het pad van een enkele dike niet alleen gaat over het gesteente erboven, maar ook over de aanwezigheid van andere nabijgelegen intrusies. De studie suggereert dat het voorspellen waar een vulkaan zal uitbarsten een nauwkeurig begrip vereist van drie zaken: de vorm van het land, de mechanische lagen van de korst en de dikte van de magma. Zonder te weten dat alle drie, blijft het voorspellen van de exacte locatie van een vent een moeilijke puzzel, maar deze experimenten bieden een duidelijke kaart van hoe deze krachten diep onder de grond met elkaar concurreren en samenwerken.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.