Modelowanie intruzji magmy na Księżycu, Marsie i Ziemi

Do skalistych ciał planetarnych naszego Układu Słonecznego zaliczają się Ziemia, Mars, Księżyc, Wenus i Merkury. Kiedy pod wpływem wysokich temperatur głęboko pod powierzchnią takich planet topią się skały, powstaje magma. Magma ta następnie przemieszcza się w obrębie skorupy planetarnej, gdzie może tworzyć intruzje na głębokości kilku kilometrów albo powodować erupcje wulkaniczne na powierzchni. Podczas umiejscowienia płytko pod powierzchnią magma tworzy dla siebie przestrzeń, przemieszczając i deformując otaczające ją skały. Proces ten prowadzi w konsekwencji do deformacji powierzchni planety, co można zaobserwować na zdjęciach wykonanych przez misje kosmiczne.

dr Sam Poppe, fot. Michał Łepecki
Prowadzone na Ziemi obserwacje sejsmiczności i deformacji gruntu w obszarach charakteryzujących się aktywnością wulkaniczną wskazują, że kopułowe wypiętrzenia powierzchni mogą powstawać w wyniku intruzji magmy, która rozprzestrzenia się poziomo i nadyma w górę. Na Księżycu i Marsie aktywności wulkanicznej obecnie się nie obserwuje, ale kopułowe wypiętrzenia na powierzchni tych obiektów również interpretuje się jako deformacje powodowane przez magmę. Deformacje tego rodzaju obejmują na przykład kratery uderzeniowe o wypiętrzonych i pękniętych dnach. Obserwacje geologiczne takich obiektów nie są i w najbliższej przyszłości nie będą możliwe, dlatego też zespół pod kierownictwem dra Sama Poppe’a z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk do celów symulacji umiejscawiania magmy wykorzystuje modele numeryczne.

Modele numeryczne mogą pokazać, w jaki sposób intruzja magmy o różnej formie geometrycznej i na różnych głębokościach powoduje deformację gruntu, lub dokonać inwersji takich deformacji w celu oszacowania charakterystyki danej intruzji. Większość istniejących modeli numerycznych dla uproszczenia zakłada, że zdeformowane skały macierzyste zachowują się w sposób elastyczny. Na Ziemi jednak proces deformacji i pękania skał wokół intruzji magmowych często ma charakter znacznie bardziej złożony. Wpływ uproszczonego założenia o elastycznym zachowaniu skał na modelowane intruzji magmy nie został dotychczas odpowiednio zbadany.

dr Sam Poppe, fot. Michał Łepecki
W okresie od 2021 do 2023 r. dr Poppe prowadził finansowany przez NCN w ramach konkursu POLS projekt DeMo-Planet, w ramach którego deformacje powierzchni poddano badaniom z wykorzystaniem nowego modelu. We współpracy z partnerami z Irlandii, Francji, Norwegii oraz Stanów Zjednoczonych, zespół badawczy dra Poppe’a rozwinął i przetestował innowacyjne podejście do modelowania numerycznego położenia i umiejscowienia magmy w spękanych skałach przy wykorzystaniu dwuwymiarowej metody elementów dyskretnych (DEM). Model przeszedł proces weryfikacji i kalibracji w naśladującym pozaziemskie warunki terenie niedaleko macierzystego ośrodka badawczego. W położonych w południowo-zachodniej Polsce Sudetach wydobywa się tzw. melafir, który znajduje zastosowanie w budownictwie drogowym i kolejowym. Miejsca wydobycia melafiru w Świerkach, Głuszycy i Tłumaczowie odsłaniają liczące 200-250 mln lat skały magmowe, takie jak trachyandezyty, oraz przykrywające je późniejsze warstwy geologiczne. Za pomocą dronów wykonano szereg zdjęć tych skał; pobrano również próbki skał w ich otoczeniu. Obserwacje sieci pęknięć i deformacji skał na zdjęciach, jak również pomiary wytrzymałości próbek, posłużyły następnie do celów weryfikacji i kalibracji modelu numerycznego.

Symulacje numeryczne umiejscowienia magmy na obszarze intruzji trachyandezytowych w Polsce porównano z podobnymi symulacjami przeprowadzonymi dla Księżyca i Marsa, gdzie występuje słabsza siła grawitacji niż na Ziemi. Badania wykazały, że różnice w wytrzymałości skał i sile grawitacji na Księżycu i Marsie powodują odmienne wzorce deformacji gruntu niż warunki panujące na Ziemi. Wyniki multidyscyplinarnego projektu DeMo-Planet pogłębiają nasze zrozumienie magmowych deformacji powierzchni planetarnych i pozwalają na ocenę nie tylko obecnych zagrożeń wulkanicznych na Ziemi, ale i dawnej aktywności wulkanicznej na innych planetach naszego Układu Słonecznego.

Więcej informacji o projekcie DeMo-Planet: cbkpan.pl, sampoppevolcano.wixsite.com.