Artikkel

Jakter på jordens dypeste mysterier i en plexiglassboks

Frank Guldstrand (t.v.), Olivier Galland, Tobias Schmiedel
Frank Guldstrand (t.v.), Olivier Galland og Tobias Schmiedel har utviklet en enkel måte å modellere vulkanutbrudd på – med matolje som magma og to typer pulver som representerer jordskorpen. Foto: Dag Inge Danielsen/UiO Bruk bildet.

Jakter på jordens dypeste mysterier i en plexiglassboks

Historiske vulkanutbrudd har formet jordkloden slik vi kjenner den i dag. Likevel er vi langt fra å forstå dem. Vulkanforskerne på UiO har som mål å finne metoder for å varsle utbrudd.

I 2011 ble det registrert bevegelser i den myteomspunne vulkanen på den greske øya Santorini. Små skjelv tydet på at noe skulle skje. Vulkanologene organiserte workshops og forberedte seg på et utbrudd. Så ble det stille. Ingen ting skjedde. Og ingen fant noen god forklaring.

Dette illustrerer ikke bare hvor vrient det er å varsle vulkanutbrudd, men også hvor utfordrende det er å forske på vulkaner. Å ta prøver og gjøre eksperimenter på en aktiv vulkan er i beste fall livsfarlig. Å gjøre tilsvarende på inaktive vulkaner er omtrent like vanskelig, siden svarene ligger langt, langt nede i jordskorpen.

Noen vulkanske uttrykk

Magma er smeltet stein som befinner seg under jordskorpen. Magmaen er lett og befinner seg under høyt trykk, den kan derfor trenge opp til overflaten mellom tyngre skorpebergarter og strømme ut som følge av jordskjelv og vulkanutbrudd (erupsjon) eller gjennom sprekker og ganger i jordskorpen (intrusjon). 

Lava er smeltet stein som er kommet ut av en vulkan. Ordet brukes bare om det som er kommet til overflaten. Inne i vulkanen og under jordskorpen kalles det magma. Det finnes mange typer lava, men den viktigste inndelingen er mellom tykt- og tyntflytende.

Intrusjon er i geologi en smeltemasse som består av vulkanske bergarter som blir dannet ved krystallisering fra smeltet magma.

Kilde: Wikipedia

Derfor baserer man seg på modellforsøk. Fysiske modeller kan bidra til å forklare hva som skjer når en vulkan har utbrudd og hvordan landskapet formes av de vulkanske kreftene. Siden alle vulkaner er forskjellige, har man bygget modeller som etterligner den enkelte vulkan der man kjenner historikken.

Det vil si, slik var det inntil Olivier Galland ved Senter for geologiske prosessers fysikk (PGP) på UiO tenkte ut en metode for å gjøre universelle modellforsøk. Dette for å nærme seg en mer grunnleggende og generell forståelse av vulkaner.

Hvordan forklare vulkaner?

Han fant at man kunne bruke to typer pulver i ulike blandingsforhold for å representere jordskorpens bergarter. Plassert i en enkel, gjennomsiktig boks av plexiglass, og med en magmasøyle av matolje, kunne man eksperimentere med ulike scenarier. Målet var å komme nærmere svarene på de store spørsmålene:

  • Hva gjør at magma strømmer ut og påvirker bergartene i jordskorpen på helt forskjellige måter?
  • Er det dynamikken i magmastrømmen som er nøkkelen til å forstå hvordan vulkaner former landskapet?  Er forklaringen tvertimot å finne de omkringliggende bergartene som danner jordskorpen?  Eller er det et samspill?

Arbeidet begynner nå å høste frukter. Studenter fra mange land har latt seg inspirere av vulkan-entusiasten Galland siden han begynte å jobbe på UiO i 2005. Vulkanforskningsmiljøet er blitt et arnested for spennende doktorgrader som handler om grunnleggende forståelse av vulkaner. Tidligere i høst forsvarte Frank Guldstrand og Tobias Schmiedel, med få dagers mellomrom, sine vulkanrelaterte doktorgrader ved Institutt for geofag.

Fra mikro- til makronivå

Tobias Schmiedel
Tobias Schmiedels geologi-interesse startet med mineraler og petrologi. Nå har han tatt doktorgrad på modellering av vulkaner. Han påviser at omkringliggende bergarter har større betydning enn tidligere antatt. Foto: Dag Inge Danielsen/UiO Bruk bildet

Tobias Schmiedel hadde en mastergrad i mineralogi fra Tyskland da han kom til UiO på et internship-opphold hos Galland. Her ble han snart hekta på modellering av vulkaner. Hans geologiske interesse startet på et mikroskopisk nivå:

– Opprinnelig var jeg mest fascinert av å studere mineraler og prosessene som danner bergarter.  Min veileder i Tyskland, professor Christoph Breitkreuz, var opptatt av fysikken i vulkaner og hva som skjer under ulike typer utbrudd. Det var han som oppmuntret meg til å reise til UiO og som gjorde at jeg havnet her, forteller Schmiedel.

Fra tsunamierfaring til vulkanmodellering

Frank Guldstrand tok først utdannelse som lydtekniker. Men han syntes det var lite stimulerende å lage god lyd på konserter og arrangementer. Alle tok det for gitt at lyden ble fikset. Samtidig hadde han lenge vært opptatt av jordklodens mysterier.

Frank Guldstrand
Frank Guldstrand var utdannet lydtekniker før han slo inn på det akademiske sporet og ble doktor i eksperimentell geovitenskap.  Etter å ha opplevd tsunamien på en båt i Thailand i 2004, ville han forstå mer om jordens prosesser. Foto: Dag Inge Danielsen/UiO Bruk bildet

2. juledag 2004 fikk han selv føle kreftene på kroppen. Mens han var på ferie med familien i Thailand, ble de rammet av den katastrofale tsunamien, og én i reisefølget hans kom aldri hjem.

– Kanskje var det da interessen ble trigget. Det åpnet i alle fall mine øyne for hvilke enorme krefter som settes i sving i jordskjelv, tsunamier og vulkanutbrudd.

I 2013 tok Guldstrand bachelor i geovitenskap ved Uppsala universitet. Hans kjæreste, som også studerte geofag, fikk en internship-plass på UiO, og det viste seg at det var behov for én til på PGP og den tilhørende “vulkan-lab'en”.

Guldstrand slo til og oppdaget at tilnærmingen i Oslo var annerledes enn i Sverige.

– Det var fascinerende å oppleve hvordan fysikere og geologer jobbet sammen på en unik og veldig interessant måte. Jeg var allerede i gang med mitt masterstudium i Uppsala, men fikk lov til å gjøre eksperimenter her i Oslo, og jeg var ikke i tvil om at jeg ville ta doktorgraden her.

Vil du har flere forskningsnyheter om realfag og teknologi: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Første vulkanmodell i sitt slag

Vulkanutbrudd kan ha utallige former og forløp. Noen ganger strømmer magma ut i de omkringliggende bergartene i tynne, horisontale lag, omtrent som en tallerken, og jordskorpen løftes opp på ulike måter og danner kuperte topper eller såkalte lavadomer. Andre ganger strømmer magma ut på helt andre måter, og det oppstår massive platåer. Faguttrykket intrusjon brukes om smeltemassenes bevegelser.

Vulkanforsøk
Et eksperiment med intrusjon av sirup, som representerer magma, i silikiamel, et bindekraftig materiale som representerer jordskorpen. Modellforsøket viser hvordan magma trenger inn i omkringliggende bergarter. Foto: Frank Guldstrand

Olivier Galland forklarer: 

– Noe av det fascinerende med vulkaner er de ulike formene som dannes i naturen. Det fantes noen modeller som kunne simulere noen typer intrusjon og andre som simulerte andre typer intrusjon. Men det fantes ingen modell som kunne representere mangfoldet eller simulere variasjonene som vi ser i naturen. Vår modell er den første!

Modellen, som ble laget av Galland og videreutviklet av Schmiedel og Guldstrand, kombinerer evnen til å simulere intrusjon i bergarter med ulike deformasjonsegenskaper.

– Det handler om hvordan magma strømmer ut i jordskorpen og fortrenger og endrer bergarter på forskjellige måter. Til nå har man gått ut fra at hovedforklaringen ligger i magmastrømmen. Vi viser at sammensetningen av bergarter i jordskorpen er minst like viktig, forklarer Tobias Schmiedel.

Jakten på ”jordskorpepulveret”

Det hele startet da Olivier Galland holdt på med sin mastergrad ved universitetet i Rennes i Frankrike. Da måtte han velge mellom to materialer for å modellere jordskorpen ved vulkanforsøk, ett stivt og ett mykt materiale.

– Men geologien er jo ikke slik at bergartene er enten ekstremt stive eller ekstremt myke. Det aller, aller meste befinner seg et sted på en skala imellom. Dermed startet jakten på materialer jeg kunne bruke i modelleforsøkene. Etter seks måneder kom jeg fram til at silikapulver og glassperlepulver var de beste alternativene. Alt etter hvordan de blandes, kan vi lage replika av jordskorpe med ulik viskositet, eller stivhet, forklarer Galland.

– Til å begynne med var kollegene mine svært skeptiske, men de ble overbevist da de så at modellforsøkene faktisk kunne forklare fenomener som vi ser i naturen og som tidligere ikke var blitt forklart.  Det handler i hovedsak om at variasjoner i magma-intrusjon ofte kan forklares ut fra bergartenes beskaffenhet.

Galland tok sin doktorgrad på modellen, og senere er den blitt videreutviklet og gjort mer sofistikert. Guldstrand og Schmiedel har blant annet utviklet en metode med rask synkronisert fotografering og monitorering av modellforsøkene.

Ikke bare-bare å forklare vulkanoppførsel

Vulkanforsøk
Kameraer overvåker og registrerer alt som skjer under modellforsøkene i vulkan-labben. Foto: Frank Guldstrand

De tre vulkanforskerne har fortsatt ingen universell forklaring på vulkaners oppførsel, men de har slått fast at sammenhengene er mer komplekse enn tidligere antatt – og at omkringliggende bergarter har stor betydning for resulterende landskapsform.

– I min avhandling har jeg konstatert at magma som strømmer ut i harde bergarter gir tynne, horisontale former, mens magma-intrusjon i bløte bergarter gir tykkere og mer “oppreiste” former, som noen ganger kan minne om fasongen på en vinkork, forteller Schmiedel.

I sitt doktorgradsarbeid har han også analysert seismiske 3D-snitt av boreprøver fra Mørebassenget utenfor norskekysten.  På denne måten har han kunnet studere sammenhenger mellom vulkansk aktivitet og geologiske formasjoner.

– I fremtiden kan kunnskapen fra våre modellforsøk bidra til å forutse potensielle farer og forbedre leting etter ressurser og geotermisk energi, sier Schmiedel.

Kan vulkanutbrudd varsles?

– Vil det bli mulig med pålitelige varsler av vulkanutbrudd?

Piton de la Fournaise
Fra et utbrudd på Piton de la Fournaise i 2004. Foto: Hugo from Paris/Flickr/Wikipedia, CC BY 2.0

– Jeg mener det er mulig å få til en prognose, og jeg har jobbet en del med forsøk på å påvise hvor vulkanutbrudd vil skje, med utgangspunkt i mønstre for hvordan bergarter er blitt deformert av vulkansk aktivitet.  Det er mye vi kan fastslå. Men det springende punktet er hva som utløser og styrer magmastrømmen. Der gjenstår det mye forskning, forteller Frank Guldstrand.

Piton de la Fournaise, på den franske øya Réunion i Det indiske hav, er en av jordens mest aktive vulkaner. Der har man allerede forsøkt å lage varsling basert på bevegelser i jordskorpen.

– Varslingssystemet som brukes ved Piton de la Fournaise analyserer deformasjonsmønsteret etter utbrudd på lignende måte som det vi har gjort i våre eksperimenter. Vi ser at naturen oppfører seg slik vi har påvist i våre modellforsøk, noe som betyr høy sannsynlighet for at vi en dag kan lage gode systemer for prognoser på hvor det vil komme utbrudd.

Mye av vulkanforskningen har til nå basert seg på observasjoner av faktiske hendelser i naturen, ifølge Galland.

– Siden hvert utbrudd har sitt unike forløp, bruker vi fysikk og modellforsøk for å identifisere og forklare de viktigste årsakssammenhengene. I dag er det et betydelig gap mellom det som skjer på observasjonsfeltet og det som skjer på fysikkfeltet. Vårt mål er å bygge bro mellom de to ”skolene”, sier Galland, som omsetter ord til handling når han reiser til Argentina for nok en felttur – det var nemlig der samarbeidet mellom ham og de to doktorgradsstudentene startet for fire år siden.

Mer på Titan.uio.no:

Tags: 

Les også

Livsvitenskap er UiOs største satsing gjennom tidene

– Livsvitenskap handler om helse, miljø og bærekraft

– Hvis folk spør meg, sier jeg at det er livsvitenskap hvis det har med helse, miljø og bærekraft å gjøre, sier Carl Henrik Gørbitz. Han er leder for Universitetet i Oslos største faglige satsing noensinne, på nettopp livsvitenskap.