Zrozumienie, w jaki sposób podpowierzchniowa aktywność magmy wpływa na skorupę ziemską, ma kluczowe znaczenie dla dokładnego przewidywania erupcji wulkanów. Dr Sam Poppe i jego zespół z Centrum Badań Kosmicznych PAN opublikowali wyniki nowego modelu numerycznego wtargnięcia magmy do skorupy Ziemi i innych ciał planetarnych. Model ten jest częścią opracowanego podejścia opartego na wielu metodach, które łączy badania terenowe, obserwacje innych ciał planetarnych, skalowane eksperymenty laboratoryjne i modele numeryczne w celu określenia wpływu dynamiki przemieszczania magmy na skorupy ciał planetarnych, takich jak Ziemia , Księżyc i Mars. Dzięki lepszemu zrozumieniu mechaniki wulkanów ich praca może poprawić przewidywanie erupcji na Ziemi i zrozumienie wcześniejszej aktywności wulkanicznej na otaczających nas księżycach i planetach.
We wtorek, 5 marca, w czasopiśmie Journal of Geophysical Research – Solid Earth and Scientia.Global opublikowano artykuły zatytułowane „Pękanie i przemieszczenia powierzchni w kształcie kopuły nad intruzjami lakolitu: Insights from Discrete Element Method modeling” oraz „Nowe podejście do zrozumienia aktywności wulkanicznej na ciałach planetarnych” autorstwa dr Sama Poppe, wulkanologa z Centrum Badań Kosmicznych PAN.
Dr Poppe kieruje projektem DeMo Planet, którego celem jest określenie, jak na odkształcenia spowodowane przez intruzje płytkiej magmy do ciał lądowych, takich jak Księżyc, wpływają właściwości skał skorupy ziemskiej oraz sieci spękań. Wyniki analiz zespołu pozwalają na dokładniejsze określenie cech rosnącej objętości magmy oraz deformacji skał, jakie powoduje wypływ magmy przed erupcjami wulkanicznymi, co przekłada się bezpośrednio zarówno na bezpieczeństwo ludzi zamieszkujących obszary aktywne wulkanicznie, jak i na naszą zdolność do analizowania wulkanizm na innych ciałach niebieskich.
– Zespół DeMo-Planet i ja pracowaliśmy przez ponad dwa lata nad wdrożeniem odpowiedniego kodu do istniejącego oprogramowania, przetestowaniem modelu i udoskonaleniem wyników – wyjaśnia wulkanolog, dr Sam Poppe. – Opracowanie modelu numerycznego poprzedziła dekada badań prowadzonych przeze mnie i sieć współpracowników z Europy i USA nad laboratoryjnym i numerycznym modelowaniem powstawania tego, w jaki sposób magma może deformować skały pod powierzchnią Ziemi i innych planet skalistych . Przygotowujemy już dwie kolejne publikacje z wynikami naszych modeli. Wiele osób zaskoczy fakt, że możemy porównać intruzje magmy w polskich Sudetach, które miały miejsce miliony lat temu, z intruzjami, do jakich doszło na Marsie i Księżycu. To ekscytujące, że te obecnie chłodne i stałe intruzje magmy są odsłonięte w czynnych kamieniołomach w Sudetach, gdzie możemy je obserwować i dotykać, a także wykorzystać polską geologię do zrozumienia wulkanizmu w innych częściach naszego Układu Słonecznego – dodaje badacz.
Wulkany to miejsca na powierzchni planety, przez które wydostaje się lawa i inne materiały wulkaniczne, takie jak popiół i gazy. Ziemia składa się z wewnętrznego jądra z litego żelaza, zewnętrznego jądra z ciekłego żelaza, przeważnie stałej warstwy skalistego płaszcza i stałej skorupy. Tam, gdzie warunki panujące w płaszczu lub skorupie sprzyjają obecności stopionej skały, tworzą się plamy niezwykle gorącej płynnej skały (magmy). Magma ta może przedostać się przez skorupę ziemską i zestalić się na płytszych poziomach lub wydostać się na powierzchnię w postaci erupcji wulkanu. Zrozumienie dynamiki zbiorników magmy i ruchów podpowierzchniowych pod skorupą jest niezbędne do stworzenia dokładnego obrazu czasu i nasilenia epizodów wzburzenia i erupcji, co pozwala nam prognozować i, co najważniejsze, łagodzić ryzyko, jakie aktywność wulkaniczna stwarza dla ludzi i zwierząt.
– Wulkanolodzy wykorzystują modele numeryczne do interpretacji oznak wskazujących, że magma wypycha skały z swojej drogi podczas wydobywania się z głębi na powierzchnię, jak ma to obecnie miejsce w Reykjanes na Islandii. Wskaźniki te obejmują trzęsienia ziemi i deformacje gruntu i są mierzone za pomocą sejsmometrów, stacji GPS oraz danych gromadzonych przez satelity. Popularne wśród wulkanologów modele nadmiernie upraszczają mechaniczną reakcję skał na napływającą magmę, dzięki czemu można szybko obliczyć ilość i lokalizację magmy pod powierzchnią – mówi wulkanolog.
Te proste modele pozwalają szybko oszacować ilość przemieszczającej się magmy i jej lokalizację. To oczywiście pozwala na określenie działań służb ratunkowych i ewakuację ludności. Jednak model zaproponowany przez zespół DeMo Planet może symulować bardziej złożone i realistyczne deformacje wywołane magmą. A tym samym przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa mieszkańców obszarów aktywnych wulkanicznie.
Prace badaczy projektu DeMo Planet nie dotyczą wyłącznie ziemskich wulkanów. Według dr Poppe model stworzony przez zespół pokazuje, że ta sama ilość magmy może spowodować, że powierzchnia Księżyca lub Marsa będzie miała inny stopień pękania i przemieszczenia powierzchni Księżyca lub Marsa w porównaniu z Ziemią.
– Pobliskie ciała planetarne, takie jak Księżyc i Mars, są mniejsze i mają mniejszą masę niż Ziemia, więc grawitacja jest tam mniejsza. Oznacza to, że niepewność szacunków prostych modeli dotyczących objętości i lokalizacji intruzji magmy w pobliżu powierzchni, na Księżycu i Marsie, może być nawet większa niż na Ziemi. Teraz, dzięki naszemu nowemu modelowi, jesteśmy w stanie dokonywać porównań wyniki naszego modelowania z wynikami popularnych, prostszych modeli i zrozumieć niepewność poprzednio uzyskiwanych wyników. Jest to szczególnie ważne, jeśli weźmie się pod uwagę obecne dążenie do powrotu ludzi na Księżyc i pierwszy załogowy lot Marsa oraz konieczność znalezienia tam nadających się do eksploatacji minerałów i materiałów budowlanych. Nasz model może się okazać kluczowy i pomóc lepiej zrozumieć, w jaki sposób sieci kanalizacyjne wygasłych wulkanów na Księżyc i Mars są podobne, a na ile różne od tych na ziemskich – wyjaśnia dr Sam Poppe.
Projekt DeMo Planet jest finansowany przez: Norweski Mechanizm Finansowy, Narodowe Centrum Nauki i Narodową Agencja Wymiany Akademickiej Fundacja Vocatio.
Poniżej lista badaczy zaangażowanych w projekt:
Dr Alexandra Morand, Centrum Badań Kosmicznych PAN (obecnie Uniwersytet w Brystolu, Wielka Brytania), prof. dr hab. Daniel Mège, Centrum Badań Kosmicznych PAN, dr hab. Marek Awdankiewicz, Uniwersytet Wrocławski Dr Claire Harnett, University College Dublin Profesor dr Michael Heap, Uniwersytet w Strasburgu Profesor dr Karen Fontijn, Université libre de Bruxelles Profesor dr Matthieu Kervyn, Vrije Universiteit Brussel Dr Björn Nyberg, Uniwersytet w Bergen Dr Petr Brož, Instytut Geofizyki, Czeska Akademia Nauk Prof. dr Michael Petronis, New Mexico Highlands University Prof. dr Christelle Wauthier, Uniwersytet Stanowy Pensylwanii.
Journal of Geophysical Research – Solid Earth article: https://doi.org/10.1029/2023JB027423
Research summary at Scientia Global: https://www.scientia.global/dr-sam-poppe-nowe-podejscie-do-zrozumienia-aktywnosci-wulkanicznej-na-cialach-planetarnych/
Pod adresem „How did magma deform rocks on the Moon and Mars?” (youtube.com) znajduje się krótki animowany film dt. projektu DeMo Planet.
Strona www DeMo Planet: DeMo-Planet project | Volcanology (sampoppevolcano.wixsite.com)
