Perforación en volcán islandés revela por primera vez condiciones reales dentro de una cámara de magma activa

Un equipo internacional liderado por la vulcanóloga Janine Birnbaum de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich ha conseguido por primera vez reconstruir las condiciones exactas que existen dentro de una cámara de magma activa, según un estudio publicado en la revista Nature. Los investigadores analizaron magma solidificado en forma de vidrio extraído de una perforación en el volcán Krafla, en el noreste de Islandia, revelando que el magma perforado se desgasifica parcialmente en menos de cinco minutos.

La investigación se basa en un hallazgo fortuito ocurrido en 2009, cuando una perforación del Proyecto de Perforación Profunda de Islandia 1 (IDDP-1) en el campo geotérmico de Krafla intersectó inesperadamente un reservorio de magma a aproximadamente 2.104 metros de profundidad, según la Universidad Ludwig Maximilian. Durante las operaciones de perforación, parte del magma entró en contacto con fluidos de perforación fríos, solidificándose en fragmentos de vidrio que fueron recuperados para su análisis.

Las condiciones bajo las cuales el magma se acumula y almacena son fundamentales para desentrañar los procesos de formación de la corteza terrestre, diferenciación planetaria, recarga de calor geotérmico y erupciones volcánicas, según el estudio publicado en Nature. La presión de almacenamiento, la temperatura y la saturación de volátiles se infieren típicamente de productos volcánicos erupcionados, pero los cambios durante kilómetros de ascenso del magma inducen cristalización y vesiculación en desequilibrio, y la inversión a las condiciones de almacenamiento conlleva incertidumbres irresolubles.

Los investigadores se enfrentaron a un enigma al examinar los fragmentos de vidrio: encontraron numerosas burbujas pequeñas pero significativamente menos gas disuelto del esperado bajo las condiciones de temperatura y presión asumidas para el reservorio de magma, según la Universidad Ludwig Maximilian. Las estimaciones clásicas de presión basadas en métodos de equilibrio habían sugerido presiones de saturación entre aproximadamente 35 y 45 megapascales, por debajo de la presión litostática de aproximadamente 50 a 57 megapascales y por encima de la presión hidrostática del pozo de aproximadamente 16 megapascales.

Para explicar estos hallazgos contradictorios, el equipo desarrolló un nuevo modelo numérico que simula el crecimiento de burbujas tanto para agua como para dióxido de carbono, acoplado a un modelo de interconversión de especies de agua, según Nature. El modelo demostró que el magma reaccionó a la perforación perdiendo gas antes de solidificarse completamente en vidrio. Mediciones previas habían establecido que el magma tarda varios minutos en enfriarse desde su temperatura original de aproximadamente 900 grados Celsius hasta aproximadamente 520 grados Celsius, cuando se solidifica en vidrio.

Durante este período de enfriamiento, la fusión puede desgasificarse, formando las burbujas observadas, según los investigadores. "Es como una imagen borrosa", explicó Birnbaum según la Universidad Ludwig Maximilian. "Pero si sabemos cómo cambia el sistema con el tiempo, podemos calcular hacia atrás cómo se veía originalmente".

Los contenidos de gas en los fragmentos de vidrio no reflejan las condiciones originales, sino que son el producto de este proceso dinámico, según el estudio. Al simular la velocidad de escape del gas, los investigadores pudieron reconstruir los contenidos de gas originales y demostrar que el gas "faltante" en el vidrio había escapado en menos de cinco minutos durante el tiempo de perforación.

El modelado térmico reveló que las tasas de enfriamiento medidas en el vidrio solo podían reproducirse en una región estrecha entre 0.3 milímetros y 1.3 milímetros desde la interfaz en una geometría planar, según Nature. Para producir un vidrio casi homogéneo, tasas de enfriamiento similares deben sostenerse en una gran porción del material muestreado, lo cual es consistente con la fracturación o fragmentación del material durante el enfriamiento.

Asumiendo que el magma se fragmenta durante el inicio o la progresión temprana del enfriamiento, los investigadores modelaron la evolución térmica usando una geometría esférica, reproduciendo las tasas de enfriamiento medidas en el interior de fragmentos de fusión con radios de 9 a 20 milímetros, según el estudio. Esto resulta en una escala temporal para el enfriamiento desde el almacenamiento hasta la transición vítrea de aproximadamente cuatro minutos.

Los hallazgos muestran que durante los aproximadamente cinco minutos en que el magma se enfría, las burbujas de vapor que consisten en agua y dióxido de carbono se exsuelven, crecen y se reabsorben, pero los cambios pueden explicarse mediante inversión multiparamétrica para química, vesicularidad y vitrificación, según Nature. El análisis reveló que el magma estaba almacenado bajo condiciones litostáticas saturadas de volátiles, a diferencia de afirmaciones previas de presiones de vapor más bajas basadas en métodos clásicos.

Las simulaciones de desequilibrio reconcilian la química del vidrio con modelos conceptuales de almacenamiento de magma y proporcionan el emparejamiento único de profundidad medida con precisión y presión de volátiles en un solo cuerpo de magma, según el estudio. Para preservar suficiente dióxido de carbono en la fusión, los investigadores determinaron que la escala temporal característica para la descompresión debe ser menor o igual a 5 a 10 minutos, similar a la escala temporal característica para el enfriamiento.

Los fragmentos de vidrio contienen agua total de 1.3 a 2.0 por ciento en peso, con un promedio de 1.8 por ciento en peso, y 50 a 200 partes por millón de dióxido de carbono, según Nature. La vesicularidad en los vidrios enfriados es baja, con la mayoría de los fragmentos teniendo menos del 6 por ciento en volumen, aunque ocasionalmente hasta aproximadamente 15 por ciento en volumen. Los tamaños de burbujas varían entre 1.5 y 75.0 micrómetros, con un aumento en el tamaño de las burbujas con el tiempo de perforación.

Las densidades numéricas de burbujas oscilan entre 10 elevado a 11.7 y 10 elevado a 15 por metro cúbico, que se infiere que nuclearon durante la descompresión inducida por la perforación a tasas de 100.000 a 10 millones de pascales por segundo, según el estudio. Las relaciones de hidróxido sobre agua molecular están entre 1.68 más menos 0.45 y 2.19 más menos 0.37, aumentando con el tiempo.

Los investigadores exploraron qué trayectorias de presión-temperatura reproducen mejor la química de volátiles y la vesicularidad del vidrio IDDP-1. Aunque el enfriamiento por el fluido de perforación debería ser rápido, utilizaron un modelo térmico para buscar trayectorias consistentes con las mediciones del vidrio natural, según Nature. La geovelocimetría mediante calorimetría diferencial de barrido indica que el magma de IDDP-1 se enfrió a través del régimen de transición vítrea a 7 a 80 grados Celsius por minuto, con una temperatura de transición vítrea de aproximadamente 480 grados Celsius.

La descompresión completa desde 45 megapascales y 900 grados Celsius a 16 megapascales produce vesicularidades finales de 26.2 por ciento y concentraciones de agua de 1.34 por ciento en peso, ambas más vesiculares y secas que el vidrio medido, según el estudio. Esto sugiere que el enfriamiento del vidrio debe comenzar antes de que el magma esté completamente descomprimido.

Cuando las escalas temporales para la descompresión son cortas en comparación con el enfriamiento, o cuando el enfriamiento ocurre tarde, el magma casi se desgasifica completamente, pero el enfriamiento produce reabsorción de burbujas, según Nature. Sin embargo, para producir vesicularidades finales dentro del rango medido, el enfriamiento debe ser temprano o rápido en comparación con la descompresión, en cuyo caso la vesicularidad final es sensible al momento relativo del inicio del enfriamiento.

Debido a las grandes diferencias en la difusividad del agua y el dióxido de carbono, de uno a dos órdenes de magnitud, la relación final de agua sobre dióxido de carbono del vidrio es altamente dependiente de la trayectoria, según el estudio. En la descompresión inicial, tanto el agua molecular como el dióxido de carbono se difunden en las burbujas, pero el transporte más lento del dióxido de carbono aumenta la relación de agua sobre dióxido de carbono en la burbuja, lo que a su vez cambia la solubilidad de ambas especies en la fusión.

Aunque los investigadores pueden producir química de vidrio razonable a lo largo de una descompresión rápida y enfriamiento temprano desde 45 megapascales, la descompresión desde presión litostática de 55 megapascales usando una concentración inicial de dióxido de carbono modestamente más alta de 170 partes por millón y 1.8 por ciento en peso de agua abarca mejor el rango de concentraciones de volátiles medidas en los fragmentos de vidrio, según Nature.

Estas nuevas simulaciones de desequilibrio reconcilian la química del vidrio con modelos conceptuales de almacenamiento de magma y proporcionan el emparejamiento único de profundidad medida con precisión y presión de volátiles en un solo cuerpo de magma, ofreciendo así un método robusto para mejorar la comprensión de las condiciones de almacenamiento y evolución del magma, según el estudio.

Las estimaciones de la presión, temperatura, estado de saturación, geometría y ubicación de las regiones de almacenamiento magmático varían ampliamente incluso para los sistemas volcánicos individuales más estudiados, según Nature. Los geotermómetros y geobarómetros que utilizan química mineral-mineral o equilibrios de fases se han aplicado a materiales volcánicos para restringir los orígenes magmáticos, pero estos métodos tienen grandes incertidumbres de aproximadamente 50 a 200 megapascales o aproximadamente 2.5 a 10.0 kilómetros.

Además, los reservorios magmáticos son difíciles de imaginar con métodos geofísicos debido a limitaciones en la resolución y relaciones mal restringidas entre litología y señales geofísicas, resultando en incertidumbres típicas sobre la profundidad del magma de aproximadamente 0.5 a 10.0 kilómetros, según el estudio. Como resultado, la comunidad científica carece de consenso incluso sobre los fundamentos de la distribución espacial de la fusión en la corteza.

La perforación profunda en campos hidrotermales ofrece el potencial único de colocar restricciones estrictas sobre la ubicación, temperatura, presión y química de la fusión almacenada en sistemas volcánicos naturales, según Nature. La perforación hidrotermal ha intersectado ocasionalmente magma: dacita en el campo geotérmico de Puna en Hawái, traquita en Menengai en Kenia y riolita en Krafla en Islandia.

En Krafla, los pozos KJ-39 e IDDP-1 intersectaron directamente magma a aproximadamente 2.500 y 2.104 metros de profundidad, respectivamente, lo cual no fue anticipado sobre la base de imágenes geofísicas gruesas antes de la perforación, según el estudio. Retrospectivamente, un cuerpo de magma fue reconocido durante el reanálisis de datos magnetotelúricos y a partir de imágenes sísmicas, que aún no han podido resolver preguntas sobre su extensión lateral y vertical.

La profundidad de recuperación conocida con precisión y el ascenso y enfriamiento restringidos temporal y espacialmente hacen que los fragmentos de vidrio sean idealmente adecuados para resolver las incógnitas del almacenamiento magmático, ya que la fusión no ha estado sujeta a los complejos procesos de ascenso que afligen a los productos de erupciones volcánicas, según Nature. La química del vidrio ha generado discusión sobre los orígenes del magma a partir de corteza basáltica parcialmente fundida y alterada hidrotermalmente o de basaltos derivados del manto evolucionados mediante cristalización fraccionada y sobre el grado de asimilación cortical.

Los investigadores creen que estos hallazgos pueden contribuir a hacer más seguras las futuras operaciones en campos geotérmicos sobre volcanes activos, y al mismo tiempo allanar el camino para perforaciones dirigidas en magma, por ejemplo para monitoreo y generación de energía, según la Universidad Ludwig Maximilian.

El magma migra lentamente desde las profundidades de la Tierra hacia la superficie, según la universidad alemana. En la corteza terrestre a menudo se detiene temporalmente y puede permanecer allí durante años, décadas o incluso milenios. Durante este tiempo se enfría, cristaliza, absorbe roca de la corteza terrestre circundante y pierde o gana gases disueltos, principalmente agua y dióxido de carbono, los verdaderos impulsores de una erupción.

La erupción ocurre cuando el sistema de magma se perturba, por ejemplo mediante aporte de calor, nuevo magma desde la profundidad o la formación de burbujas, similar a una lata de bebida sobrecalentada que se hincha y finalmente estalla, según la Universidad Ludwig Maximilian. Para comprender cómo se comportan los volcanes entre y antes de las erupciones, es importante contar con información detallada sobre la temperatura, la presión y el contenido de gas del magma en la corteza terrestre.

Sin embargo, el magma a menudo se encuentra profundamente bajo la superficie de la Tierra y no es accesible para mediciones directas, según la universidad. El estudio aprovechó el hecho de que bajo el campo volcánico Krafla en el noreste de Islandia, el magma llega sorprendentemente cerca de la superficie.

La investigación proporciona información crucial para mejorar la vigilancia y las posibilidades de uso de la fusión de roca incandescente en el futuro, según la Universidad Ludwig Maximilian. El estudio fue publicado en la revista Nature con Birnbaum como autora principal.