Un estudio encuentra que el agua determina la profundidad del magma, una clave para modelos precisos de actividad volcánica y erupción


En todo el mundo, entre 40 y 50 volcanes están actualmente en erupción o en estados de agitación, y cientos de millones de personas están en riesgo de los peligros que plantean estos volcanes potencialmente activos. 


por Smithsonian


Sin embargo, a pesar de los profundos peligros que las erupciones volcánicas representan para la vida humana y la propiedad, la humanidad todavía no puede predecirlos de manera confiable y precisa, e incluso cuando los pronósticos son hechos con precisión por expertos, es posible que no brinden suficiente tiempo para que las personas evacuen y hagan preparativos de emergencia.

Las predicciones precisas y confiables siguen siendo un objetivo difícil de alcanzar en gran parte porque los vulcanólogos no comprenden completamente la dinámica natural y los procesos del magma debajo de un volcán antes de que encuentre su camino hacia la superficie. Ahora, los resultados de un nuevo estudio dirigido por el vulcanólogo Dan Rasmussen, Peter Buck Fellow en el Museo Nacional de Historia Natural del Smithsonian, pueden llevar a los expertos un paso más cerca de pronosticar con precisión las erupciones volcánicas .

El estudio, publicado hoy, 10 de marzo, en la revista Science , encuentra que, para el tipo de volcán más común del mundo, el magma con mayor contenido de agua tiende a almacenarse más profundamente en la corteza terrestre. El hallazgo identifica lo que algunos científicos esperan que sea el factor más importante que controla la profundidad a la que se almacena el magma.

«Este estudio conecta la profundidad a la que se almacena el magma con el agua, lo cual es importante porque el agua en gran medida inicia y alimenta las erupciones», dijo Rasmussen. Explicó que el agua impulsa las erupciones de manera análoga a cómo el dióxido de carbono puede hacer explotar una botella de refresco sacudida.

«Con el agua disuelta en el magma que se almacena debajo de un volcán, si hay una disminución repentina de la presión, como cuando se abre repentinamente la tapa de una botella de refresco agitada, se forman burbujas de gas y eso hace que el magma se eleve y salga disparado del volcán, similar hasta cuando un refresco sale disparado de la tapa de una botella», dijo Rasmussen. «Más contenido de agua en el magma significa más burbujas de gas y potencialmente una erupción más violenta».

«Estos resultados nos acercan más a la comprensión de la física y las condiciones del almacenamiento de magma debajo de los volcanes, y ese es un ingrediente esencial para los tipos de modelos detallados basados ​​en la física necesarios para pronosticar erupciones con mayor precisión», dijo Rasmussen.

El estudio se completó a través de un nuevo trabajo de campo y análisis de laboratorio, además de un nuevo análisis de los datos existentes recopilados de erupciones volcánicas pasadas rastreadas por el Programa de vulcanismo global del Smithsonian.

Un estudio encuentra que el agua determina la profundidad del magma, una clave para modelos precisos de actividad volcánica y erupción
Dan Rasmussen, Peter Buck Fellow del Museo Nacional de Historia Natural del Smithsonian, recolecta muestras de cenizas volcánicas del borde de la caldera de la cumbre del volcán Akutan en 2016. Akutan es uno de los volcanes más activos de las Aleutianas. Una caldera se forma cuando un volcán tiene una gran erupción explosiva. Cuando esto sucede, el cuerpo de magma debajo del volcán que alimenta la erupción se vacía parcialmente, lo que provoca el colapso del volcán. El resultado es el cráter que se ve en esta imagen. También se ve el helicóptero que llevó a los científicos a sus sitios de muestreo. Este fue un día raro de cielos despejados y vientos bajos, lo que permitió a los investigadores aterrizar en el borde de la caldera. La muestra de roca que recolectó Rasmussen ayudó al equipo de investigación a determinar el contenido de agua de los magmas de Akutan. Crédito: Anna Barth, Universidad de California, Berkeley.

Rasmussen comenzó su investigación en 2015 mientras completaba su doctorado en el Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia con su asesor, el vulcanólogo Terry Plank, quien le sugirió que siguiera la pregunta aún abierta de por qué la profundidad de almacenamiento de magma varía de un volcán a otro y qué controla esa profundidad.

Junto con un equipo que incluía a la geofísica Diana Roman de la Carnegie Institution for Science, Rasmussen fue al campo para recolectar material volcánico de ocho volcanes ubicados en las escarpadas y remotas Islas Aleutianas de Alaska.

Los investigadores se centraron en un entorno geológico particular al seleccionar volcanes para este estudio: los llamados volcanes de arco que se producen en la intersección de dos placas tectónicas convergentes. Los volcanes de arco, como los que se encuentran en las Aleutianas, son el tipo de volcán más numeroso en la Tierra y comprenden la totalidad del infame «Anillo de Fuego» que rodea la Placa del Pacífico, lo que los convierte en el objetivo más obvio para mejorar las capacidades predictivas.

Usando barcos y helicópteros, el equipo recolectó fragmentos de ceniza volcánica de estos ocho volcanes en medio de mares embravecidos y, en la isla de Unimak, la amenaza de osos pardos gigantes. La ceniza volcánica fue el objetivo principal de la expedición porque puede contener cristales verdes hechos de olivino, cada uno con un diámetro de aproximadamente 1 milímetro, aproximadamente el grosor de una tarjeta de identificación de plástico.

Bajo tierra, estos cristales de olivino a veces atrapan pequeños fragmentos de magma cuando se forman. Después de que una erupción envía estos cristales de olivino especiales a la superficie de la Tierra, el magma dentro de ellos se enfría y se convierte en vidrio. Al analizar la composición química de estas minúsculas piezas de magma enfriado del interior de un volcán, los investigadores pudieron estimar el contenido de agua del magma.

Después de estimar el contenido de agua de las piezas atrapadas de magma recolectadas de seis de los ocho volcanes Aleutianos, el equipo combinó esos datos con otras estimaciones del contenido de agua magmática tomadas de la literatura científica para 56 volcanes adicionales de todo el mundo. La lista final del contenido de agua magmática estimado abarcó 3.856 muestras individuales de 62 volcanes.

Para examinar la relación entre el contenido de agua estimado de estos depósitos de magma y sus respectivas profundidades de almacenamiento, los investigadores recorrieron la literatura científica y crearon una lista adjunta de 331 estimaciones de profundidad para 112 volcanes.

Un estudio encuentra que el agua determina la profundidad del magma, una clave para modelos precisos de actividad volcánica y erupción
Dan Rasmussen, Peter Buck Fellow del Museo Nacional de Historia Natural del Smithsonian, y Terry Plank, vulcanólogo del Observatorio Terrestre Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia, recolectan muestras de ceniza volcánica de un estrecho barranco creado por un pequeño arroyo en el flanco del volcán Cleveland en 2016. Las capas en la pared del barranco son los productos de las erupciones individuales de Cleveland. Las capas son marrones porque se están descomponiendo para formar suciedad. Aún así, con suficiente esfuerzo, los científicos pueden encontrar algo de material volcánico fresco en estas capas. Las capas deben muestrearse individualmente, lo cual es un proceso complicado. Primero, se talla una superficie plana en la interfaz entre dos capas; luego, la capa que queda expuesta se raspa en una bolsa de recolección de muestras, exponiendo la siguiente capa y permitiendo su recolección. Estas muestras ayudaron a los investigadores a comprender el contenido de agua de los magmas de Cleveland. Crédito: Anna Barth, Universidad de California, Berkeley. Foto tomada bajo el Permiso de Uso Especial de Investigación y Monitoreo del Refugio Nacional Marítimo de Vida Silvestre de Alaska #74500-16-009.

Rasmussen dijo que la base de datos del Programa de Vulcanismo Global del Smithsonian «fue clave en la compilación de estas listas porque es un recurso realmente bueno para la historia de las erupciones, y solo queríamos considerar los volcanes que habían entrado en erupción recientemente». Rasmussen y el equipo de investigación se centraron en erupciones recientes porque los reservorios de magma no parecen moverse mucho después de una erupción, por lo que cualquier estimación de profundidad o contenido de agua que se haya realizado utilizando material de erupción reciente tiene la mayor probabilidad de reflejar con precisión el estado actual de el reservorio de magma del volcán .

Después de años de trabajo de campo, análisis geoquímicos y revisión de la literatura, el equipo pudo trazar las profundidades de almacenamiento de magma estimadas para 28 volcanes de todo el mundo frente a sus respectivos contenidos de agua magmática estimados. Los resultados fueron sorprendentemente claros: el contenido de agua de un reservorio de magma estaba fuertemente correlacionado con su profundidad de almacenamiento. En otras palabras, los magmas que contenían más agua tendían a almacenarse más profundamente en la corteza terrestre.

El estudio también muestra que el contenido de agua de un magma es responsable de controlar su profundidad, en lugar de simplemente correlacionarse con ella. El equipo mostró esta relación causal al detectar la presencia de trazadores químicos asociados con la formación de magmas que contienen agua en el manto de la Tierra.

«Si la profundidad de almacenamiento determinara el contenido de agua en el magma, aún podría crear la correlación entre el contenido de agua y la profundidad que observamos, pero no produciría los trazadores químicos del contenido de agua inicial del magma que encontramos», dijo Rasmussen.

En cuanto a cómo el contenido de agua podría determinar la profundidad de almacenamiento del magma, Rasmussen y sus coautores argumentan que tiene que ver con un proceso conocido como desgasificación en el que el agua mezclada con el magma forma burbujas de gas. Cuando el magma que asciende a través de la corteza terrestre comienza a desgasificarse, se vuelve más viscoso, lo que, según sugieren los investigadores, hace que el ascenso del magma se ralentice y se detenga.

La evidencia de que el contenido de agua controla en gran medida la profundidad de almacenamiento del magma anula la explicación más ampliamente aceptada en el campo hoy en día, que sostiene que el magma se eleva a través de las grietas en la corteza terrestre porque la roca fundida es más flotante que la corteza circundante, y se asienta en su profundidad de almacenamiento porque alcanza una flotabilidad neutra donde el magma no es más flotante que su entorno.

Rasmussen dijo que el próximo paso para esta investigación es ver si estos hallazgos son válidos para volcanes en otros entornos geológicos, como volcanes de punto caliente como las islas de Hawai o volcanes de grietas como los del este de África. Más allá de esta extensión de la investigación, Rasmussen dijo que surge una pregunta aún mayor: «Si el contenido de agua del magma controla la profundidad de almacenamiento del magma, ¿qué controla el contenido de agua del magma ?»



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