Desarrollo de la permeabilidad dinámica potenciada por cizallamiento de magma vesiculando en conductos cilíndricos

Por qué importan las burbujas en la lava

Las erupciones volcánicas están impulsadas por el gas atrapado dentro de la roca fundida. Que un volcán expulse lava con suavidad o arroje ceniza a gran altura depende en gran medida de lo fácil que sea que ese gas escape. Este estudio examina cómo las burbujas dentro de un magma pegajoso y rico en gas se conectan entre sí y con el exterior, transformando la roca de una esponja que atrapa gas en una espuma permeable. Comprender este cambio ayuda a explicar por qué algunas erupciones son explosivas mientras otras son relativamente tranquilas.

Burbujas que ascienden por una tubería rocosa

En el interior de un volcán, el magma a menudo asciende por conductos aproximadamente cilíndricos —tuberías rocosas que pueden tener metros de ancho. A medida que la presión disminuye durante el ascenso, el agua disuelta y otros gases salen de la solución y forman burbujas. Cuando suficientes burbujas se tocan y conectan, el gas puede percolar a través del magma y escapar. Trabajos anteriores sugerían que una fracción muy alta del volumen del magma —a menudo más de la mitad— debía estar ocupada por burbujas antes de que se formaran tales vías. Pero esas estimaciones normalmente ignoraban cuánto se deforma el magma en movimiento, o se estira, al rozar con las paredes del conducto. Los autores procedieron a recrear esta situación en el laboratorio usando obsidiana riolítica real, un vidrio volcánico natural, para ver cómo el cizallamiento cambia el umbral en el que el gas puede fluir libremente.

Volcanes en miniatura en el laboratorio

El equipo perforó pequeños núcleos cilíndricos de obsidiana y los calentó hasta que comenzaron a crecer burbujas. En un conjunto de experimentos las muestras se dejaron expandir libremente, imitando magma no fuertemente comprimido por su entorno. En otro conjunto, cada cilindro de vidrio se colocó dentro de un tubo de basalto más grueso con un diámetro interior ligeramente mayor, forzando al magma vesiculado a expandirse lateralmente hasta tocar el tubo y luego mayormente hacia arriba. Al cambiar la holgura entre la muestra y el tubo, los investigadores controlaron cuándo empezaba el cizallamiento y cuánto se intensificaba. Durante todo el calentamiento y el mantenimiento, siguieron cuánto se hinchaban las muestras, cuántas burbujas se formaban, cómo cambiaban de forma esas burbujas y cuán fácilmente podía moverse el gas a través de la red resultante.

Cómo el estiramiento de las burbujas abre rutas de escape

Los experimentos revelan un contraste marcado entre magma tranquilo y magma sometido a cizallamiento. Cuando las muestras se expandieron libremente, las burbujas permanecieron casi esféricas y, incluso con contenidos de burbujas muy altos —hasta alrededor de tres cuartos del volumen— el magma siguió siendo efectivamente hermético, con una permeabilidad extremadamente baja. Sin embargo, una vez introducido el cizallamiento por confinamiento, el panorama cambió. Cerca de los márgenes, las burbujas se estiraron rápidamente en formas alargadas alineadas con el flujo, y las burbujas vecinas comenzaron a tocarse y fusionarse. En muestras con cizallamiento moderado, aparecieron vías de gas significativas tan pronto como el magma vesiculado rozó las paredes del contenedor, en fracciones de burbujas alrededor del 60–70 por ciento. En los casos de cizallamiento más intenso, la conectividad se estableció a contenidos de burbujas mucho más bajos, a veces por debajo del 20 por ciento, aunque estas vías tempranas eran en conjunto menos permeables.

Un equilibrio dinámico entre ganancia y pérdida de gas

La permeabilidad en las muestras sometidas a cizallamiento no aumentó simplemente con la cantidad total de burbujas. En cambio, dependía de qué porción del espacio poroso estaba realmente conectada, así como de los tamaños y formas de las estrechas gargantas que enlazan las burbujas. Una vez que se formaron vías, el gas comenzó a escapar a través de regiones desgarradas de la densa “costra” externa de vidrio que recubre las muestras. Los autores combinaron sus mediciones con un modelo de crecimiento de burbujas para reconstruir cómo evolucionaba la permeabilidad global a lo largo del tiempo a alta temperatura. Encontraron que en los casos con confinamiento suave, la conectividad desencadenada por el cizallamiento permitía la salida de gas justo lo suficiente para equilibrar el crecimiento de burbujas, conduciendo a un estado transitorio y autorregulado. En los casos con confinamiento fuerte, el crecimiento de burbujas continuó incluso después de alcanzarse la conectividad, pero a un ritmo más lento, lo que demuestra que la unión de burbujas no drena automáticamente el gas de un magma viscoso de forma instantánea.

Qué significa esto para las erupciones reales

Para los conductos volcánicos naturales, estos resultados implican que incluso un cizallamiento moderado puede reducir drásticamente el contenido de burbujas requerido para que el gas percole, y que una vez que se forman conexiones pueden persistir aunque las burbujas luego tiendan a relajarse hacia formas más esféricas. Sin embargo, una desgasificación efectiva también requiere rutas continuas hasta la roca circundante y una diferencia de presión que impulse el flujo. Así, el cambio de comportamiento explosivo a efusivo en erupciones silícicas está controlado no solo por cuántas burbujas hay, sino por cómo se aprieta y estira el magma dentro del conducto y por cómo sus vías de gas se conectan con el sistema de plomería volcánica más amplio.

Cita: Birnbaum, J., Schauroth, J., Weaver, J. et al. Shear-enhanced dynamic permeability development of magma vesiculating in cylindrical conduits. Sci Rep 16, 9838 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43344-8

Palabras clave: permeabilidad del magma, desgasificación volcánica, redes de burbujas, estilo de erupción, magma riolítico