Dynamics of Igneous Plumbing Systems in Sedimentary Basins

Alle kjenner til vulkanske utbrudd, men hvilke mekanismer som fører magmaen fra dypt nede i jordas indre og opp til overflaten derimot er ikke kjent. I flere tiår har én teori hovedsakelig vært den dominerende og bredt aksepterte, blant vulkanologer. Denne teorien tar utgangspunkt i at magmaen beveger seg langs enkle sprekker. Basert på nye ekstraordinære geologiske observasjoner og nye «state-of-the-art» fysiske modeller, begynner vi først nå å stille spørsmål til denne teorien. Den grunnleggende vitenskapelige aktiviteten til DIPS prosjektet har bestått av ambisiøse og spennende feltekspedisjoner i Neuquén bassenget, i den nordlige delen av Patagonia i Argentina. På grunn av dets ørkenklima, kombinert med fallet fra Andes tilbyr dette stedet spektakulære eksponering av det gamle vulkanske rørsystemet. Vi har kombinert direkte felt observasjoner med observasjoner fra droner til å rekonstruerte den indre strukturen av eksponerte vulkaner. Takket være ny teknologi er vi i stand til å lage imponerende 3-dimensjonale virtuelle modeller av de lokasjonene vi studerte, noe som ytterligere øker vår forståelse for disse systemene. Disse observasjonene er imidlertid begrenset av at de er frosset, dvs. de er ikke lenger i bevegelse. For å overkomme denne utfordringen har vi designet en «state-of-the-art» laboratorie- og datamodeller som kan simulere formasjonene skapt i de vulkanske rørsystemene. For aller første gang er våre modeller i stand til å reprodusere det komplekse mangfoldet av de naturlige egenskaper relatert til vulkanske rørsystemer observert i naturen. Våre modeller har derfor vist seg lovende til å ta vår forståelse av de dynamiske vulkanske rørsystemene til et nytt og enestående nivå.

- Scientific publications: the project activities lead to numerous scientific publications in international journals. Numerous other manuscripts are in preparation, in review or in revision. The impact in the scientific community will thus be tremendous. - New theory of magma emplacement: before the project, there were established theories for magma emplacement in Earth crust. The project activities questioned this theory and proposed a new one. This new theory lead to new collaborations with international volcanology experts in Iceland, among others, and to writing an invited manuscript. - Petroleum industry: the last decade of research has highlighted that volcanic plumbing systems potentially have tremendous impacts (negative or positive) on hydrocarbon systems. Through the project activities, we developed collaborations and partnerships with several oil companies, among others Equinor, YPF (national Argentinian oil company), Chevron, ROCH S.A. (small Argentinian company).

Volcanism represents fundamental forces contributing to heat and mass transfer through the Earth crust. Field and geophysical data in many sedimentary basins worldwide have shown that volcanism is linked with extensive sub-volcanic networks. These igneous plumbing systems (IPS) in sedimentary basins have tremendous implications on (1) the gas flux for the volcanic system feeding the climate system, (2) the maturation, circulation and trapping of hydrocarbons, (3) the location and violence of volcanic eruptions, and (4) the formation of massive ore deposits. Although IPS in sedimentary basins have been widely studied, first-order aspects of their emplacement dynamics are still not understood: (1) there is no unified mechanical model explaining and predicting the formation of the numerous igneous conduit shapes (e.g. dikes, sills, laccoliths, plugs, etc); (2) most existing models of magma emplacement only account for elastic host rocks, whereas geological observations show that substantial plastic and viscous deformation in the host rocks accommodates magma emplacement; (3) most models ignore the magma dynamics, whereas the role of magma viscosity is evident. In order to considerably expand our understanding of the dynamics of IPS in sedimentary basins, we propose a multidisciplinary project that (1) integrates quantitative fieldwork using state-of-the-art ground-based and aerial photogrammetric outcrop 3D modeling in an outstanding volcanic basin case study, (2) frontier quantitative laboratory experiments using the latest technical developments at UiO, (3) numerical modeling using Discrete Element Models (DEM) and (4) elasto-plastic theoretical modeling. This project has the ambition to develop a new generation of mechanical model of magma emplacement in sedimentary basins that realistically accounts for the complexity of geological systems.