Experimental Investigation of Dike Propagation Influenced by Graben Topography and Magma Viscosity Using Analog Modeling
Este estudo utiliza modelagem analógica para demonstrar que a propagação de diques e as localizações de ventos vulcânicos em configurações de graben são controladas pela interação entre a viscosidade do magma, os campos de tensão topográfica e o empilhamento mecânico da crosta, os quais determinam coletivamente se as intrusões param, transitam entre geometrias ou atingem a superfície.
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Os vulcões não são explosões aleatórias; eles são a expressão superficial de uma luta profunda e pressurizada entre a rocha fundida e o solo sólido acima dela. Para entender onde um vulcão pode entrar em erupção a seguir, os cientistas devem rastrear o caminho de um dique, que é simplesmente uma fenda preenchida com magma que se abre caminho para cima a partir de um reservatório profundo. O caminho que um dique percorre não é uma linha reta. Ele é ditado pelas forças que pressionam a rocha ao seu redor, especificamente o campo de tensão, que muda dependendo da forma do terreno e das camadas de rocha que o magma encontra. Se o solo acima for pesado, o magma empurra diretamente para cima. Mas se o solo tiver um ponto baixo, como um vale ou uma fenda, o peso da rocha é reduzido nessa área, criando uma zona de "descarregamento" que pode puxar o magma lateralmente. Além disso, o próprio magma não é uma substância uniforme; ele varia de lava fluida e rápida para uma lama espessa e lenta. Essa diferença de espessura, ou viscosidade, altera a forma como o magma reage à tensão da rocha circundante. Prever exatamente onde o vulcão abrirá sua boca é um desafio crítico para a segurança, mas a complexa interação entre a forma do terreno, as camadas da crosta e a natureza do magma tem sido difícil de definir.
Para desvendar essas variáveis, os pesquisadores Khaled Rahimi, Marcus Bursik e Janine L. Kavanagh recorreram a um laboratório que imita a crosta terrestre usando um material simples e transparente: gelatina. Eles escolheram o Hat Creek Graben, no nordeste da Califórnia, como seu guia do mundo real, um vale longo e profundo formado pelo afastamento da Terra, onde diferentes tipos de lava entraram em erupção no passado. Em seu laboratório, eles construíram um tanque transparente preenchido com camadas de gelatina para representar a crosta superior da Terra. Eles esculpiram uma depressão longa e estreita no topo da gelatina para simular o graben. Em seguida, injetaram fluidos pela parte inferior do tanque para agir como magma ascendente. Eles usaram dois fluidos distintos: água para representar o magma basáltico fluido e uma solução espessa, semelhante a um gel, feita de goma xantana para representar o magma de basalto-andesito muito mais viscoso. Ao observar como esses fluidos se moviam através da gelatina, a equipe pôde ver exatamente como a forma do vale e a espessura do magma alteravam o caminho para a superfície.
Os experimentos revelaram uma diferença marcante no comportamento baseada na espessura do fluido. Quando os pesquisadores injetaram o fluido fino e aquoso, ele subiu com velocidade e determinação. Ele ascendeu quase em linha reta através da gelatina, mal percebendo as mudanças de tensão causadas pelo vale acima. Ao atingir a superfície, ele entrou em erupção diretamente dentro da depressão, permanecendo a uma curta distância do centro. A água movia-se rápido demais e com ímpeto excessivo para ser facilmente desviada pelas forças mutáveis da rocha circundante. Em contraste, o fluido espesso de goma xantana comportou-se de forma muito diferente. Enquanto subia, ele desacelerava, dando tempo para que a gelatina circundante influenciasse seu caminho. Em vez de subir reto, o fluido espesso começou a curvar-se e a desviar-se em uma profundidade significativa, curvando-se em direção às paredes íngremes do vale. Ele acabou rompendo a parede lateral do vale em vez do centro, entrando em erupção através da escarpa da falha. A viscosidade do fluido essencialmente determinou se o magma ignoraria a forma do vale ou seguiria seu apelo.
Os pesquisadores também exploraram o que acontece quando a crosta não é um único bloco de rocha, mas é composta por diferentes camadas com diferentes resistências. Em alguns experimentos, eles criaram uma fronteira fraca entre uma camada inferior e uma camada superior de gelatina. Quando o magma atingia esse ponto fraco, ele parava de tentar subir e, em vez disso, espalhava-se lateralmente, formando uma intrusão plana, semelhante a uma panqueca, conhecida como sil. Se a injeção continuasse, essa folha plana engrossaria e formaria uma cúpula, criando uma estrutura em forma de cogumelo chamada lacolito. Curiosamente, a presença do vale acima influenciava esse processo; o campo de tensão criado pelo vale incentivava o sil a cresar em um lacolito diretamente abaixo da depressão, fazendo com que o chão do vale se elevasse. No entanto, quando a fronteira entre as camadas era forte, o magma era capaz de perfurar a interface e continuar sua jornada para a superfície, independentemente do estratificação.
Finalmente, a equipe investigou o que acontece quando dois fluxos de magma sobem ao mesmo tempo, um cenário comum em campos vulcânicos onde múltiplas fendas se abrem simultaneamente. Eles descobriram que as duas colunas ascendentes não se ignoravam. À medida que empurravam para cima, criavam suas próprias zonas de pressão que interferiam umas nas outras. Em um caso específico, a presença de uma folha de fluido em expansão de uma injeção fez com que a segunda injeção próxima se desviasse, sendo empurrada para fora pela tensão de sua vizinha. Essa interação mostrou que o caminho de um único dique não depende apenas da rocha acima dele, mas também da presença de outras intrusões próximas. O estudo sugere que prever onde um vulcão entrará em erupção requer uma compreensão precisa de três coisas: a forma do terreno, as camadas mecânicas da crosta e a espessura do magma. Sem conhecer essas três variáveis, prever a localização exata de uma ventilação permanece um quebra-cabeça difícil, mas estes experimentos fornecem um mapa claro de como essas forças competem e cooperam profundamente no subsolo.
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