.
O magma que bombeia através de um enorme complexo de câmaras planas e interconectadas nas profundezas dos vulcões no Havaí parece ser responsável por um enxame inexplicável de pequenos terremotos sentidos na Ilha Grande nos últimos sete anos, em particular desde a erupção de 2018 e o colapso do cume de Kilauea.
As câmaras em forma de panqueca, chamadas de “soleiras”, canalizam o magma lateralmente e para cima para recarregar as câmaras de magma de pelo menos dois dos vulcões ativos da ilha: Mauna Loa e Kīlauea. Usando um algoritmo de aprendizado de máquina, os geocientistas da Caltech foram capazes de usar dados coletados de estações sísmicas na ilha para mapear a estrutura das soleiras, mapeando-as com precisão nunca antes vista e demonstrando que elas ligam os vulcões.
Mais de 192.000 pequenos eventos sísmicos, cada um representado aqui como um único ponto preto, revelam em 3D a forma e a localização das soleiras sob o Havaí
Além disso, os pesquisadores foram capazes de monitorar o progresso do magma à medida que ele subia pelas soleiras e vinculá-lo à atividade de Kīlauea. Eles analisaram um período que terminou em maio de 2022, então ainda não é possível dizer se eles conseguem identificar o fluxo de magma que levou à erupção de Mauna Loa em 27 de novembro, mas a equipe pretende analisar isso a seguir.
“Antes deste estudo, sabíamos muito pouco sobre como o magma é armazenado e transportado nas profundezas do Havaí. Agora, temos um mapa de alta definição de uma parte importante do sistema de encanamento”, disse John D. Wilding (MS ’22 ), aluno de pós-graduação da Caltech e coautor principal de um artigo descrevendo a pesquisa que foi publicada na revista Ciência em 22 de dezembro. O estudo representa a primeira vez que os cientistas foram capazes de observar diretamente uma estrutura de magma localizada tão profundamente no subsolo. “Sabemos muito bem o que o magma está fazendo na parte rasa do sistema acima de 15 quilômetros de profundidade, mas até agora, tudo abaixo disso tem sido objeto de especulação”, diz Wilding.
Com dados de mais de 192.000 pequenos tremores (menos de magnitude 3,0) que ocorreram no período de 3,5 anos, de 2018 a meados de 2022, a equipe conseguiu mapear mais de uma dúzia de soleiras empilhadas umas sobre as outras. O maior tem cerca de 6 quilômetros por 7 quilômetros. As soleiras tendem a ter cerca de 300 metros de espessura e são separadas por uma distância de cerca de 500 metros.
“Os terremotos vulcânicos são tipicamente caracterizados por sua pequena magnitude e ocorrência frequente durante a agitação magmática”, diz Weiqiang Zhu, pesquisador associado de pós-doutorado em geofísica e co-autor principal do Ciência papel. “Estamos entusiasmados com os avanços recentes no aprendizado de máquina, particularmente aprendizado profundo, que estão ajudando a detectar e localizar com precisão esses pequenos sinais sísmicos registrados por redes sísmicas densas. O aprendizado de máquina pode ser uma ferramenta eficaz para sismólogos analisarem grandes conjuntos de dados arquivados, identificar padrões em pequenos terremotos e obter informações sobre estruturas subjacentes e mecanismos físicos.”
Wilding e Zhu trabalharam com Jennifer Jackson, a professora William E. Leonhard de física mineral; e Zachary Ross, professor assistente de geofísica e William H. Hurt Scholar; que são ambos autores seniores do artigo. Em outubro, Ross foi nomeado um dos 2022 Packard Fellows for Science and Engineering, que fornecerá financiamento para apoiar o avanço desta pesquisa.
A equipe não precisou colocar uma única peça de hardware para fazer o estudo; em vez disso, eles confiaram nos dados coletados pelos sismômetros do Serviço Geológico dos Estados Unidos na ilha. No entanto, o algoritmo de aprendizado de máquina desenvolvido no laboratório de Ross deu a eles uma capacidade sem precedentes de separar o sinal do ruído – ou seja, identificar claramente os terremotos e suas localizações, que criam uma espécie de “nuvem de pontos” 3-D que ilustra as soleiras. .
“É análogo a fazer uma TC [computerized tomography] varredura, a forma como um médico pode visualizar o interior do corpo de um paciente”, diz Ross. “Mas, em vez de usar fontes controladas com raios-X, usamos fontes passivas, que são terremotos.”
A equipe conseguiu catalogar cerca de 10 vezes mais terremotos do que era possível anteriormente e conseguiu identificar suas localizações com uma margem de erro de menos de um quilômetro; locais anteriores foram determinados com margens de erro de alguns quilômetros. O trabalho foi realizado usando um algoritmo de aprendizado profundo que foi ensinado a detectar sinais de terremoto usando um conjunto de dados de treinamento de milhões de terremotos identificados anteriormente. Mesmo com pequenos terremotos, que podem não se destacar ao olho humano em um sismograma, o algoritmo encontra padrões que distinguem os terremotos do ruído de fundo. Ross usou anteriormente a técnica para revelar como uma injeção natural de fluidos subterrâneos levou a um enxame de terremotos de quatro anos perto de Cahuilla, Califórnia.
As soleiras parecem estar em profundidades que variam de cerca de 36 a 43 quilômetros. (Para referência, a profundidade mais profunda que os humanos já perfuraram na Terra é de pouco mais de 12 quilômetros.) Os cientistas há muito sabem que um limite de fase está presente a uma profundidade de cerca de 35 quilômetros abaixo do Havaí; em tal limite de fase, a rocha da mesma composição química transita de um grupo de minerais acima para um grupo diferente abaixo. Estudando os novos dados, Jackson reconheceu que as transições que ocorrem nesta rocha acopladas a injeções de magma podem hospedar reações químicas e processos que estressam ou enfraquecem a rocha, possivelmente explicando a existência das soleiras – e, por extensão, a sismicidade ativa.
“A transição de espinela para plagioclásio dentro da rocha lherzolita pode estar ocorrendo através de migração difusa, aprisionamento e cristalização de magma derretido dentro do manto litosférico raso sob o Havaí”, diz Jackson. “Tais conjuntos podem exibir enfraquecimento transitório decorrente de deformação acoplada e reações químicas, o que pode facilitar o crescimento de rachaduras ou a ativação de falhas. Injeções recorrentes de magma modulariam continuamente o tamanho dos grãos no complexo da soleira, prolongando as condições para deformação sísmica na rocha. Esse processo poderia explorar variações laterais na força para produzir e sustentar as características sismogênicas lateralmente compactas que observamos.”
Não está claro se as soleiras abaixo da Ilha Grande são exclusivas do Havaí ou se esse tipo de estrutura subvulcânica é comum, dizem os pesquisadores. “O Havaí é a ilha mais bem monitorada do mundo, com dezenas de estações sísmicas que nos dão uma janela para o que está acontecendo abaixo da superfície. Temos que nos perguntar: em quantos outros locais isso está acontecendo?” diz Wilding.
Também não está claro exatamente como o movimento do magma desencadeia os pequenos terremotos. Os terremotos mapeiam as estruturas, mas o mecanismo real dos terremotos não é bem compreendido. Pode ser que a injeção de muito magma em um espaço crie muito estresse, dizem os pesquisadores.
.
